Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу

На цьому моменті своєї оповіді я злякався, що перебільшив значення рідних мені газових детекторів. Мені пощастило — більша частина моєї наукової кар’єри відбулась у ЦЕРНі; впродовж кількох десятиліть я міг долучатися до розвитку фізики частинок. Успіх цієї галузі став можливим завдяки десяткам чудових вчених, які винайшли нові прилади та створили уявлення, що допомогли зруйнувати звичні погляди, скажімо, на теорію відносності та квантову механіку.

Моя власна праця — поміж тих, які позначили фізику частинок; роботу над детекторами слід пов’язувати з прогресом, який став можливий завдяки ним. Мені здалося доречним залучити колег до дослідження відкриттів, що визначили різні етапи утворення сучасного уявлення про Стандартну Модель.

Один фізик-практик, видатний ерудит Франсуа Вануччі зголосився на цю роботу. Він брав участь в історичному досліді у Сполучених Штатах, що спричинився до двох нобелівських премій: Берту Річтеру за кварк та Мартінові Перлу за лептон τ. Після ейфорії він повернувся до ЦЕРНу до групи Сема Тінґа — того самого, який винайшов частинку J; згодом Франсуа Вануччі почав самостійно досліджувати нейтрино. Він запропонував один дослід у пучку, який існував у ЦЕРНі, проте за межами території центру, за горами Юра⁴¹.

Коли Вануччі попросив у ЦЕРНа кошти на свій дослід, керівництво відрядило гурт геометрів вивчити топологію місцини. Потік нейтрино з прискорювача перетинав ліс, тож перелякані геометри питалися, чи це, бува, не шкідливо. Насправді нейтрино, що походять від ядерних реакцій на Сонці, набагато потужніші за нейтрино з ЦЕРНу. Одначе, під політичним тиском екологів ЦЕРН відмовився від досліду; до того ж, було знайдено привід — хай навіть надуманий — заборонити будівництво прискорювачів за межами ЦЕРНу. Вирішили пожертвувати дослідом.

Вануччі — незалежний дослідник, який завжди береться за амбітні проекти. На мій погляд, він, як ніхто інший, здатен дати загальний погляд на дослідження, що привели до появи Стандартної Моделі, та змалювати велетенські кроки, що їх робили автори епохальних відкриттів.

Дуже часто ці відкриття супроводжувались — або й викликалися — прогресом теоретичної фізики. Мені здалося важливим, щоби концепції, які супроводжували прогрес, висвітлював фізик-теоретик. Ролан Омнес пристав на мою пропозицію.

Розділ перший. Золота доба частинок

Фізика частинок — радикальна галузь, яка взяла собі за мету збагнути структуру матерії в її найдальших закраїнах. Упродовж другої половини минулого століття ця галузь зазнала бурхливого розвитку. Саме цю епопею ми й переповімо, зберігаючи, при цьому, її людське обличчя: адже найскладніші завдання у фізиці здійснюють люди, що працюють і переймаються різноманітними відчуттями.

Відкриття, про які зайде мова, тісно пов’язані з існуючими засобами виявлення. Мета наша буде незмінною: знайти якнайшвидше, якнайточніше і якнайпотужніше на певний момент знаряддя для «бачення» частинок. Ці властивості описуються відповідними величинами — «тимчасова роздільність», «просторова роздільність» і «мертвий час».

Кожне відкриття потребує пристосованого детектора. Для поточних явищ — скажімо, радіоактивності — достатньо відносно грубих детекторів. Нині ж ми стикаємося з дослідженням вельми рідкісних явищ (наприклад, «чи існує бозон Гіґґза?»), які вимагають досконалих детекторів.

У витоків майже всіх засобів виявлення знаходимо явище іонізації. Воно ж виникає з сили електрики, що з’являється під час проходження крізь матерію зарядженої частинки. Тож у давніх катодних рурках потік електронів ставав видимим завдяки світлу на його шляху. Електрони ж із катодного променя, прискорені електричною напругою, мали достатньо енергії, щоби притягти до себе атоми газу. У цей час електрони цих атомів змінюють орбіти, а коли, зрештою, повертаються на свої первісні орбіти, то зберігають надлишкову енергію, випромінюючи характерне світло в газі, який перетинають. Це називають флюоресценцією. Промінь можна бачити простим оком. Якщо густина залишкового газу вища, атоми й далі притягатимуться один до одного і спалахне весь об’єм газу.

Жорж Шарпак поклав життя на нескінченне вдосконалення способів виявлення. Для нас він буде за проводиря, на взірець Вергілія, який вів Данте легендарними стежками, що й досі не доступніші для профанів, ніж ті, якими вирушимо ми.

Але спершу познайоммося з ним ближче. Багато років тому я вмовив його відповісти на знамениті Прустові запитання⁴². Він дав відповіді лише на частину питальника, упередивши таким текстом:

«Я міркував над питаннями тривалий час. Не маю жодного сумніву, що Пруст — добрий письменник, адже дехто з моїх вельми поважних друзів незрідка зазирає в його твори.

На мене ж він не справив враження — адже великою мірою мої смаки сформувались у підлітковому віці, а юний емігрант, що пожадливо прагнув пізнати Францію, не дуже тягнувся до буржуа, якими рясніють романи Пруста».

Отже:

Ваші улюблені колір і квітка?

Волошки та маки, бо саме вони забарвлювали луки мого дитинства — вони мені до вподоби більше, ніж кручені та позбавлені пахощів квіти тутешніх крамниць.

Якби Ви були кимось іншим, ким Ви хотіли би стати?

Фізиком-теоретиком, і таки став би, якби два роки полону не обрізали мені крила — принаймні в тому, що стосується навчання.

Ваші улюблені прозаїки?

Стендаль, Достоєвський, Мартен дю Ґар⁴³ і ще чимало.

Ваші улюблені поети?

Превер. Він такий примітивний!

Ваші герої в реальному житті?

Нельсон Мандела. Великий політик.

Найменш приємні Вам історичні постаті?

Ідеологи, фундаменталісти, диктатори.

Ваше гасло?

Кваплюся сміятися з усього, адже боюся, що доведеться заплакати.

Який хотіли би мати дар від природи?

Шкодую, що не вмію співати.

А проте, саме Жорж Шарпак відбиватиме такт у нашому «співі про частинки».

Перш ніж наша вистава розпочалася на поважних сценах великих лабораторій, фізики розробляли первні фізики нескінченно малого. Втім, навіть не усвідомлюючи цього — так само як месьє Журден вправлявся у прозі⁴⁴, хоча цього і не знав — вони започаткували фізику частинок.

Пригадаймо кілька результатів, що позначили ґенезу цієї галузі ще до щедрих урожаїв великих прискорювачів.

Термін «нескінченно мале» не є абсолютним. Величини, які вимірюються, залежать від засобів вимірювання і пов’язані з наявною енергією; отже, наприкінці ХІХ ст. «нескінченно мале» зводилося до атома. Саме по собі це було надзвичайне досягнення, адже розміри атома зводяться до якихось 10-10м. Тобто, щоби склався метр, треба покласти поруч 10 млрд атомів, і побачити атом не можна ні простим оком, ні у мікроскоп. Але вже тоді було відкрито першу справді елементарну частинку — хоча про це й не здогадувалися — електрон. З 1897 р. — задовго до інших частинок — його виявляли в катодному промінні. Звісно, у світі елементарних частинок іще панувала глупа ніч, та вже з’являлися перші просвітки.

Першу Нобелівську премію з фізики присудили Вільгельмові-Конрадові Рентгену за відкриття у грудні 1895 р. «надзвичайних променів, що отримали його ім’я». Потім залп із лауреатів, які випливали один із одного — так, 1903 р. прийшла черга Анрі Беккереля за відкриття спонтанної радіоактивності. Беккерель здійснив його навесні 1896 р. в пучку рентгенівського проміння, а отже, воно стало прямим наслідком винаходу Рентгена. П’єр та Марі Кюрі премію одержали за дослідження радіоактивних явищ, відкритих Беккерелем. У 1905 р. Філіпп Ленар отримав премію за вивчення «катодних променів», наступного року — Джозеф Джон Томсон за «теоретичні та експериментальні дослідження здатності газу проводити електричний струм». Насправді саме він остаточно визначив: катодні промені — це як потоки електронів.

Аби осягнути ці результати, варто придивитися до застосованих способів. Що ж це, зрештою, за катодні рурки, які зібрали такий врожай відкриттів?

Відомі вони з середини ХІХ ст. Йдеться про скляні рурки видовженої форми, з яких за допомоги спеціальних помп крізь отвори певного діаметра викачують повітря. Дві металеві пластини утворюють електроди, пов’язані з полюсами електрогенератора, і дозволяють підтримувати різницю потенціалів. Якщо остання досить висока, розріджений газ перетворюється на провідник, і рурка світиться.

У подібному приладі 1879 р. Вільямові Крукзу, який доводив вакуум до максимуму і підвищував тиск, поталанило отримати тоненькі потоки з катода — катодне проміння, що містить легкий електричний струм. Біг струму оприявнюється через флюоресценцію у збуреному газі в рурці. Якщо піднести магніт, можна побачити, як траєкторія відхиляється. Отже, вплив магнітного поля такий самий, як і в електричного струму, ніби випромінювання складається з крупинок електрики. Однак, якщо прикласти поперечне електричне поле, воно не спричиняє жодних змін, на відміну від струму, що відсунуло висновки щодо досліджуваного явища на пізніший час.

Внесок Томсона — у поліпшенні порожнього простору в рурці. Справді, присутність залишкового газу викликає іонізацію, що екранує зовнішнє електричне поле, і воно стає неефективним. Щойно досягнувши достатньо зниженої густини газу, Томсон зміг детально дослідити поведінку катодних променів. Він показав, що промені відштовхуються від негативно зарядженої пластини і, навпаки, притягуються позитивно зарядженою пластиною. Так 30 квітня 1897 р. йому пощастило виявити електрон та оцінити його масу як приблизно одну двотисячну маси атома водню.

Роберт Ендрюз Міллікен експериментально доведе, що всі електрони мають однаковий заряд — 1,6 10-19 Кулона. Це — елементарний заряд, найменша вільно існуюча кількість електрики. Для відповідності давнішому протиставленню позитивного й негативного зарядів, прийнятих в електростатиці, йому приписують негативне значення. 1923 р. Міллікен також отримає Нобелівську премію — за «роботу над елементарними електричними зарядами та фотоелектричним ефектом».

Електрон — найменша частинка електрики, себто найменша кількість матерії, яка несе електричний заряд. Порівняно з масою найлегшого з атомів — водню — його маса дуже низька. Його легко виокремити. Щоби вирвати електрон з його атомної орбіти, достатньо електричної напруги. Саме так створювали катодні промені, саме так працюють рурки у кінескопах — їх використовували до появи пласких екранів.

Одразу виникає запитання: якщо матерія здатна випромінювати електрони, заряджені умовно негативно і якщо загалом матерія нейтральна, то, певно, треба подумати і про протилежний заряд — позитивний, який також мусить міститись у матерії. Як вони розподіляються? Можливі два варіанти. Або ж матерія подібна до нуги, де позитивні заряди заповнюють весь об’єм, а електрони стирчать подекуди, мов родзинки. Або ж позитивні заряди скупчуються у певних точках. Доведення правильності другої гіпотези стало внеском лорда Ернеста Резерфорда та його учнів Ганса Ґайґера й Ернеста Марсдена: позитивний заряд несуть частинки, названі «протонами», які збираються в малесенькому ядрі в осередді атома.

Цим відкриттям ми зобов’язані неодноразово застосованому методові: коли, використовуючи частинку-мішень, ми досліджуємо рух пробної частинки. У випадку команди Резерфорда було використано найенергетичніші на той момент частинки — α-частинки природної радіоактивності. Мішенню була тонка золота пластина — адже золото можна розкочувати у надтонкі пластини з мінімальною кількістю атомних шарів. Було відомо, що α-частинки заряджені позитивно, як і гіпотетичні розшукувані ядра. Дослід полягав у відстеженні напрямку виходу α-частинок після того, як вони перетнуть золоту пластинку.

Якби йшлося про «матерію-нугу», то вона навряд сприяла би розсіюванню α-частинок — навпаки, вони пройшли би більш або менш прямою лінією аж до центральної плями на контрольних екранах. А ядро, в якому зібрано всі позитивні заряди, повинно відштовхувати α-частинки з то більшою силою, що вони ближче. Результат підтвердив останнє припущення: α-частинки, які проходили далеко від ядра, не відхилялися, інші ж сильно відхилялися, а деякі навіть відскакували. Пояснення з’явилося миттєво: їхня траєкторія збігалася з розташуванням ядра. Цей дослід дозволив уперше визначити приблизні розміри ядра: кілька 10-15м.

Резерфорд 1908 р. одержав Нобелівську премію — ще до свого фундаментального досліду в 1911 р. Отримав він премію не з фізики, а з хімії — за «дослідження дезінтеграції елементів та хімії радіоактивних речовин».

Відтоді почали говорити про «планетарну модель атома», що складається з ядра з усіма позитивними зарядами та хмари протилежно заряджених електронів довкола.

У період 1920—1930-х років учені зосередилися на дуже точному вимірюванні різноманітних щойно відкритих форм радіоактивності. Радіоактивність — це вияв ядерних явищ, вона народжується на рівні атомних ядер. А саме існування ядра ставило складну проблему. Електростатична стабільність ядра вже не була очевидною, адже позитивно заряджені протони всередині нього мали би шалено відштовхуватися одне від одного під дією електричної сили. Аби зрозуміти стабільність цілого, треба було ввести в гру нову взаємодію — «сильну» або «ядерну». Ця сила притягання здатна компенсувати відштовхування зарядів. Так передвістили новий тип частинок — нейтрони; вони нічим не відрізняються від протонів, але мають нульовий заряд. Замість того, щоби відштовхуватися, нейтрон притягується і сприяє стабільності ядра.

Нейтрон відкрив 1932 р. Джеймс Чедвік. Він вивчив розсіяння різних продуктів нейтрального випромінювання берилової пластини, обстріляної α-променями. На той час це випромінювання було енергетично найпотужнішим. Результат трактувався як розповсюдження нейтральних частинок, масою близьких до протона — їх назвали «нейтронами». У 1935 р. Чедвік одержав Нобелівську премію за «відкриття нейтрона».

Продовження цих досліджень принесло Нобелівську премію 1938 р. Енріко Фермі за «доказ існування нових радіоактивних елементів, утворених шляхом випромінювання нейтронів, і відкриття ядерних реакцій, спричинених повільними нейтронами». Ім’я Фермі не раз спливає у тріумфальному поступі фізики частинок. Згідно зі свідченнями, це — останній фізик, який так вплинув і на теорію, і на експеримент. Після нього теоретики та експериментатори переділилися на два цілком окремі клани.

Отже, тоді будова матерії здавалася досить простою: з одного боку, ядро з нуклонів — таку загальну назву дали протонам і нейтронам — розміром приблизно в кілька 10^-15м, зліплених докупи завдяки ядерній силі; з іншого — електрони, що обертаються навколо ядра завдяки електромагнітному притягненню.

Три частинки та дві сили (на рівні частинок дія гравітації заслабка) для відтворення всіє матерії — як земної, так і небесної: фізики запропонували найстисліший із можливих рецептів. Утім невдовзі все мало значно ускладнитись.

Відкриття, що про них ішлося досі, робились у лабораторіях завдяки винахідливості кількох особистостей, яких у ті часи називали «вченими». Вони обмежувалися вимірюванням ядерних явищ, користуючись випромінюванням природних джерел — почергово то електронів, то α-частинок, то нейтронів.

Проте фізики швидко збагнули, що в діло можна пустити й інше випромінювання — космічне. Порівняно з радіоактивним це випромінювання мало одну чималу перевагу — адже давало енергії значно більше і забезпечувало набагато ефективніше бомбардування матерії. Космічні промені відкрили новий розділ у дослідництві.

Спершу 1912 р. їх виявив Віктор Гесс: він сміливо заліз до повітряної кулі, аби довести, що просто з неба на нас падають нові промені. Гесс помітив: навіть якщо електроскоп перебував під скляним ковпаком, з плином часу він усе одно розряджався. Це пояснювали наявністю у просторі заряджених частинок, які нібито перетинають усе навкруги. Проте було й інше пояснення. Випромінювання могло походити з глобальної радіоактивності Землі — або з космосу. Пролити світло на проблему мав дослід.

Гесс підняв кулю на висоту 5 тис. м. Він спостерігав, як поступово розряджається електроскоп. Що вище — то швидше. Це доводило, що потік частинок тут жвавіший, ніж на поверхні Землі. З неба лилися промені. Це відкрило перед дослідниками частинок Усесвіт.

Нині відомо, що космічні промені над атмосферою складаються переважно з протонів — частинок, що їх можна знайти всередині атомів. Не дивно, адже вся звична для нас матерія пояснюється набором тих самих елементарних складників.

Одначе протони, що їх називають також «первісними космічними променями», не можуть дійти неушкодженими до земної поверхні. Вони дуже швидко взаємодіють, щойно потрапляючи до зовнішніх шарів атмосфери, і утворюють пасма вторинних частинок — тих, що їх пізніше вивчатимуть у прискорювачах. Цих нових частинок було значно більше, ніж три складники, з яких буцімто складалася матерія.

Аби дослідити інтенсивність випромінювання на різних висотах, фізики перетнули світ. Вони дряпалися на гори, запускали кулі, щоби «промацати» таємничі промені. Це привело до значних відкриттів. По-перше, 1932 р. Карл Д. Андерсон знайшов у космічному випромінюванні частинку низької маси — як в електрона, проте з позитивним зарядом. Аби збагнути це фундаментальне відкриття, треба зробити невеличкий екскурс у теорію. Рівняння Дірака дає загальний математичний опис електрона в рамках одночасно квантових і релятивістських. Але рівняння допускає два розв’язки: один описує електрон дуже точно. Другий же може видатися зайвим — він відповідає негативним енергіям, погодитися з чим складно. Дірак геніально розтлумачив це як дзеркальний розв’язок, що описує частинку, ідентичну електронові в усьому, окрім заряду.

Більшості фізиків тієї доби це здавалося лише математичним вивертом, уявним віддзеркаленням, проте відкриття Андерсона виправдало наполегливість Дірака. З’ясувалося, що й справді існує позитивно заряджений еквівалент електрона. Відкриття позитрона відбулося завдяки камері Вільсона, в якій можна простежити траєкторії заряджених частинок. Заряд установлюється за кривою, на яку впливає зовнішнє магнітне поле.

Спосіб виявлення у камері Вільсона спирається на конденсацію пари, себто перехід від газу до рідини. Явище спостерігається там, де є електричні заряди. Рух однієї зарядженої частинки приводить до місцевої іонізації впродовж його траєкторії. Іонізація дозволяє притягнути краплини конденсації. На практиці в огородженому просторі, заповненому повітрям і парами алкоголю, підтримується постійний перепад температури. Іони, що утворюються з проходженням частинок, складають щось на кшталт зародку конденсації. «Туман» з’являється там, де є заряди. Нині такий тип детекторів уже не використовують, але в наукових музеях можна побачити їхні сучасні версії.

Нобелівський комітет відзначав цей спосіб двічі. 1927 р. — Чарлза Томсона Різа Вілсона за «метод візуалізації слідів заряджених частинок через конденсацію парів» — тоді Нобелівську премію вперше присудили за технічний винахід; а 1948 р. Патріка Мейнарда Стюарта Блеккета відзначили за «вдосконалення камери Вільсона та зроблені завдяки цьому відкриття в ядерній фізиці та космічному випромінюванні».

Ще одне фундаментальне відкриття є наслідком дослідження космічних променів — відкриття мюона. І знову це стало результатом взаємодії теорії та практики. На відміну від випадку з позитроном, коли теоретичне передбачення не набагато випередило експериментальне підтвердження, на з’ясування ролі мюона знадобилося ціле десятиріччя.

На землю неперервно падає злива електрично заряджених частинок — щосекунди сотня частинок вкриває кожен квадратний метр. Маса частинки, знайденої у 30-х роках, була проміжною між масами електрона і протона, за що й дістала назву «мезона». Мезон здатен з легкістю пройти крізь товсту пластину заліза, зупинитися в ній та розпастися впродовж кількох мікросекунд. Для виявлення було використано «електричний детектор», уперше устаткований схемами випадкового збігу. На першому такому детекторі використовувалася руркова батарея Ґайґера. Рурка Ґайґера заповнена газом, що легко іонізується, переважно аргоном. У її центрі — дріт під високою напругою, тоді як стінки заземлено. Коли заряджена частинка пролітає крізь газ, відбувається іонізація. Оскільки між дротом і стінками прикладено електричне поле, з проходженням частинок електрони вириваються з атомів газу, тож залишаються позитивно заряджені іони. Вільні електрони притягаються позитивно зарядженим дротом, а іони мігрують до стінок. За достатньої напруги електрони швидко розмножуються поблизу центрального дроту, де існує сильне електричне поле — тож на дроті можна зафіксувати електричний сигнал. Рурка може бути до десяти сантиметрів у діаметрі, а напруга досягати кількох кіловольт.

Досліджуючи космічні промені, Джузеппе Окк’яліні і Сесіл Френк Павелл спостерегли два цікаві явища в ядерних емульсіях, виставлених на велику висоту; ці явища прямо показали, що мюон утворюється під час дезінтеграції іншої частинки з проміжною масою. Цей «первісний мезон» дістав назву мезона π-піона — і це та сама частинка, існування якої передбачив Юкава, намагаючись пояснити сильне притягнення між нуклонами внаслідок ядерної взаємодії. Нині лише фізики дуже поважного віку використовують назву «мезон» на позначення мюону.

Спосіб виявлення за допомоги емульсії широко використовувався для дослідження космічних променів. У 1950 р. Павелл одержав Нобелівську премію за «вдосконалення фотографічного методу вивчення ядерних процесів і відкриття, зроблені завдяки цьому методові та стосовні мезонів». Спосіб ґрунтується на тому факті, що заряджені частинки, перетинаючи фотопластинку, іонізують атоми, що їм трапляються. Плівка відіграє роль гелю, іони зберігають заряд і розрізняються під час проявлення емульсії. Щодо отримуваного просторового рішення цей спосіб — незрівнянний: траєкторію частинок можна виміряти з точністю до мікрона, тож його використовують, коли потрібні дуже точні сліди. Але щодо аналізу отриманих результатів цей метод надто складний, а ще — пасивний, адже він не дає жодної інформації про час. Нині цей спосіб переважно заміняють швидкими методами, що дозволяють за короткий час зібрати різноманітні дані.

Що ж це за нова частинка — мюон? Вона може мати як негативний, так і позитивний заряд. За властивостями вона нагадує електрон — окрім маси, яка в 200 разів більша. І це пояснює, зокрема те, чому мюон розпадається, а електрон лишається стабільним. Своїм відкривачам мюон видався надто громіздким для будови матерії. «Хто замовляв таке?» — здивувався фізик Рабі, і це мало означати: «Нащо воно?»

Насправді ж мюон — «перший дзвіночок» другої родини елементарних частинок, які, справді, можуть видатися безглуздими в аспекті будови матерії, адже не беруть участі в утворенні відомих елементів. Розвиток фізики частинок приведе до відкриття інших частинок, значення яких ще не до кінця зрозуміле.

Мюон має властивість перетинати значні товщі матерії, не зупиняючись. Можливо це завдяки тому, що він не відчуває на собі сильної взаємодії. У космічному випромінюванні його можна виявити на поверхні Землі, хоч інші частинки розпадаються або ж поглинаються під час проходження крізь атмосферу. Цю здатність мюонів усюди проникати використали для зондування єгипетської піраміди. За допомоги лічильників, що вимірювали кількість мюонів, які потрапляли до верхньої камери піраміди, зондування в різних напрямках дало дуже цікаву світлину, що не виявила жодної дивної структури.

Отже, космічне випромінювання зробило вирішальний внесок у розвиток фізики частинок, спершу — відкриттям антиматерії, згодом — відкриттям першої частинки з другої родини. Відкрило воно й другий фронт для досліджень: дивності. Адже в космічних променях знайшли цілу родину нових частинок з «дивними» властивостями. Аби дослідити їх, фізики встановлювали детектори на гірських вершинах, адже це відтворює процес розгортання атмосферного пасма. Загальновідомою є станція на вершині Південного піка в Піренеях⁴⁵.

Ці частинки отримали назву «каонів», або «К-мезонів». З’являються вони у кількості не меншій, ніж π-піони, але «живуть» набагато довше. Каони бувають нейтрального типу і зарядженого типу. Аби збагнути цю загадку, знадобилося послатися на «правило збереження», яке застерігає від надшвидкого розпаду. Згодом фізика К-мезонів стане вельми активною віссю досліджень у прискорювачах. Досліди з метою з’ясування властивостей цих частинок відбуваються й досі.

До відкриття мюона здавалося, що трьох дійових осіб, уже присутніх на сцені — протона, нейтрона і електрона — достатньо для пояснення будь-яких змін звичайної матерії, адже з них складається більшість природних елементів. Різниця між атомами залежить від різної кількості протонів у ядрах. Кількість електронів відповідає кількості протонів задля підтримки загальної нейтральності матерії. Цілісність ядер і природна радіоактивність пояснюються більш або менш великою кількістю нейтронів поруч із протонами. Тож усе пояснити доволі просто. Одначе цю відносну простоту захмарювала невідповідність, тож довелося для з’ясування стосунків між головними дійовими особами залучити й статистів.

Β-радіоактивність — спонтанне випромінювання одного електрона — була великою проблемою. На відміну від α- та γ-радіоактивностей, вона не зберігала енергії. А золоте правило фізики — під час будь-якого процесу утворюється енергія, навіть якщо набирає при цьому незвичних форм, обертаючись почергово то в кінетичну, то в потенційну, то в теплову, то в хімічну, то — як побачимо згодом — ядерну енергію. Енергія, присутня певної миті, наступної миті обов’язково повинна виявитися, коли ретельно враховано всі можливі форми.

У разі β-дезінтеграції одного з елементів, скажімо, вуглецю-14, що використовується для датування доісторичних залишків, енергія електрона могла бути різною, і дилема тяжіла роками, аж поки Вольфґанґ Паулі у грудні 1930 р. у своєму знаменитому листі не натякнув на існування нової частинки, що випромінюється одночасно з електроном, але не дає виявити себе. За цією гіпотезою варто помислити про специфічні властивості, які роблять цю частинку майже невидимою. На думку вченого це — лише одне з багатьох розв’язань, «найбільш відчайдушне». Проте ця a priori скромна думка настільки добре все пояснювала, що її миттю прийняли. У 1933 р. Енріко Фермі розробив теорію поведінки нової частинки. Саме він вигадав назву «нейтрино» — себто «маленького нейтрона». У листі ж Паулі гіпотетична частинка ще мала назву «нейтрона», хоча відомий нам нейтрон іще не було відкрито.

Разом із нейтрино треба було розробляти ідею нової сили — «слабкої сили», яка пояснювала би слабку ймовірність взаємодії нової частинки. Кількість сил, які діють у природі, досягла свого максимуму — чотирьох: гравітація, що панує в механіці великих предметів, але незначна у субатомному світі, де переважають три сили: «сильна», електромагнітна і «слабка». Нині намагаються не відкрити нові сили, а, навпаки, зменшити їхню кількість. Так, електромагнітну та «слабку» сили об’єднали в електрослабку силу, а згодом сподіваються вкинути до загального місива і «сильну».

Нейтрино — аж ніяк не повністю невидима частинка, інакше в нас не було би прямих доказів його існування. Повністю невидима частинка не мала би контактів із матерією, а нейтрино таки має легку взаємодію. Проте безпосередньо виявити його поталанило лише 1956 р. на реакторі в Саванна-Рівер, через понад чверть століття після теоретичного передбачення нейтрино. Це доводить складність і непередбачуваність виявлення нейтрино. Відкривачеві — Фредерікові Рейнзу своєї Нобелівської премії 1995 р. доведеться чекати аж сорок років.

Детектор ґрунтувався на техніці коливання. На той час це був велетенський прилад об’ємом не менше 8 м3. Він містив велику кількість рідини, що коливалась; вона складалася з власних молекул і домішок. Цей тип детектора впродовж усієї історії дослідження нейтрино неодноразово копіюватимуть. І досі будуються прилади, основані на тому ж методі.

Коли нейтрино з реактора вступає у зв’язок із протоном, утворюються позитрон і нейтрон. Позитрон іонізує рідину, в якій утворився, а енергія, що виділяється при цьому, обертається на світло. Мерехтливе світло — того ж походження, що й флюоресценція катодних рурок: намагнічені атоми розмагнічуються і світяться. Можливість взаємодії між нейтрино — дуже слабка: щоби збільшити шанси на піймання нейтрино, потрібна масивна ціль. Газ не годиться. Мерехтлива рідина — дуже практична альтернатива: великий об’єм за невисоку ціну. Рідина — прозора, тож світло розповсюджується до найвіддаленіших закутків ємності. А там розміщено фотоелектронні рурки-помножники, які вловлюють світловий сигнал.

Фотоелектронні рурки-помножники — головний елемент експериментальних приладів. Він складається з фотокатода, що містить шар лужного металу, де зіткнення фотонів призводить до фотоелектричного ефекту. Таким чином фотони відривають від металу електрони, а їх затягує до рурок високою напругою на різноманітних динодах, розташованих кількома поверхами. Кожен динод, отримуючи один електрон, випускає кілька, а помноження дозволяє на виході з рурки зафіксувати електричний імпульс, достатньо широкий для вловлення електромережею. Цей імпульс — дуже швидкий. Фотоелектронні рурки-помножники дозволяють отримувати інформацію про проходження частинки приблизно за одну наносекунду.

До того, як у дію вступлять прискорювачі, резюмуємо те, про що дізналися вище. Матерія складається з атомів, чиє ядро об’єднує протони і нейтрони, навколо яких обертаються електрони. Крім того, для розуміння зв’язку між нуклонами і електронами не обійтися без дивної частинки — нейтрино. У променях, що доходять до нас із неба, виявлено присутність нових частинок, сенс існування яких ще не зрозумілий: з одного боку — антиелектрона та мюона, з іншого — ще химерніших частинок. Залишається об’єднати всі ці знання.

Космічні промені створювали умови для дослідів з енергіями, набагато потужнішими за радіоактивність. Але сподіватися на них марно, бо контролювати їх неможливо. Умови, що виникають, сприяють виявленню кількох нових видів частинок, проте їх недостатньо для систематичного вивчення їхніх властивостей. Щоби піти далі, слід вигадати новий метод.

Величезна перевага прискорювачів — у тому, що вони в достатній кількості утворюють потужні потоки частинок, на природі яких ми знаємося та енергію яких можемо змінювати за потреби. Так, завдяки дослідам, умови проведення яких легко змінювати, можна влаштовувати цілі кампанії зі зміряння.

Визначмося з одиницями вимірювання енергії. У класичній механіці енергію вимірюють у джоулях (Дж). Це — енергія, яка виробляється на 1 кілограм, що падає з висоти 10 см у земному гравітаційному полі. В електриці 1 Дж — це енергія, яку отримуємо за заряду в 1 кулон (Кл), що перетинає різницю напруги в 1 вольт (В).

Один джоуль — завелика енергія для опису елементарних частинок. Однак нещодавно виявили надзвичайно рідкісні космічні промені, енергія яких перевищує 10 Дж, і нині дослідним способом вивчаються їхні властивості.

Представники субатомної фізики запропонували іншу, зручнішу одиницю — електронвольт (еВ). Як указує назва, 1 еВ — це енергія, якої набуває електрон, прискорений різницею напруги 1 В.

Якщо елементарний заряд електрона досягає 1,6х10^-19 Кл, то виникає відповідне рівняння 1 еВ = 1,6х10^-19 Дж. Отже, електронвольт (еВ) позначає мінімальну кількість енергії; це енергія, яку несуть видимі фотони, що доходять до нас із Сонця та збуджують сітківку ока. Якщо точніше, то видиме світло заповнює енергетичний проміжок від 1,3 еВ (червоне) до 3 еВ (синє).

Теорія відносності уславленою формулою Айнштайна Е = mc² пов’язує масу та енергію однієї частинки. Тоді використовують похідні від електровольта: кеВ (кіло), МеВ (мега), ГеВ (гіга), ТеВ (тера)… Промені, відкриті Рентгеном, переносять енергію порядку кілоелектровольт — до 100 кеВ. Типовий для радіоактивності рівень енергії — близько 1 МеВ. У середині 1950-х років прискорювачі досягали порядку гігаелектровольт, а нова межа сягає кількох тераелектровольт, себто кілька тисяч мільярдів електровольт. Отже, маси повинні описуватися відношенням еВ/с². Так, маса електрона складає 511 кеВ/с², а протона — 935 МеВ/с².

Що таке прискорювач? Це прилад, що дозволяє збільшувати енергію частинок. Для цього слід пустити частинку до електричного поля якомога вищої напруги. Так можна прискорити заряджені стабільні частинки. На практиці ж у перших прискорювачах досліджували протони та електрони. Згодом техніка дала змогу взятися до антипротонів і позитронів, а також до атомних ядер. Нині ж можна говорити про дослідження мюонів, хоча мюон — нестабільна частинка; втім, здійснення таких досліджень ще потребує серйозних доопрацювань.

Що вища напруга поля, то більше енергії вивільниться. Спершу з’явилися прискорювачі електростатичного типу Ван де Граафа — вони могли сягати 10 м задовжки та прискорювати до кількох мегаелектровольт. Отже, треба мати в розпорядженні потенціал у кілька мегавольт — і проблеми з пробоєм швидко вирішуються.

У 1939 р. Ернест Орландо Лоренс одержав Нобелівську премію за «винахід і вдосконалення циклотрона і результати, отримані за його допомоги». Лоренсові спала на думку ідея примусити частинки багаторазово перетнути область, де є електричне поле. Тож електричне поле може мати середню напругу. Але цей спосіб вимагає наявності магнітного поля, здатного вигинати траєкторію частинок і відкидати їх до порожнин прискорення. Саме в цьому полягає принцип дії циклотрона — круглястої порожнини, зануреної в магнітне поле. Останнє не прискорює частинки — тобто не підвищує її швидкості. Треба лише змінити напрямок руху, що дозволить замкнути траєкторію частинок таким чином, щоб вони перетнули поле прискорювача багато разів. Що вища енергія, то більший радіус траєкторії, а отже, енергія відповідає діаметрові приладу.

Завдяки прискорювачам уможливлюється систематичне вимірювання зіткнень. Джон Даґлес Кокрофт і Ернест Томас Волтон 1951 р. отримали Нобелівську премію за «перетворення атомних ядер за допомоги штучного прискорювача». Ще раз прискорювачі вшанували 1959 р., коли Еміліо Сеґре та Овена Чемберлена відзначили за «відкриття антипротона». Цей випадок — унікальний і заслуговує на розповідь.

Отже, античастинки існують. Але це — дуже рідкісне явище. Адже частинка і античастинка, стикаючись, мають властивість взаємознищуватися, себто зникати, утворюючи фотони або інші частинки, якщо енергії достатньо. Звідси — скороминуще існування античастинок на землі та й взагалі у всесвіті. Хоч античастинки теоретично існують так само, як і частинки, утворені в ході реакцій з виділенням високих енергій, все ж вони швидко зникають із довкілля, бо обов’язково стикаються з частинками і взаємознищуються.

Експеримент у Берклі дав привід іще більше зацікавитися прискорювачами: фізики залишили космічні промені та кинулися до великих лабораторій, які щойно почали обладнувати. Кожен прагнув отримати якнайбільше енергії. Певний час рекорд зберігався за лабораторією в Дубні, що неподалік Москви, де змогли досягнути рівня у 10 ГеВ, потім ЦЕРН у Женеві та Брукгейвен біля Нью-Йорка збудували синхротрони на 30 ГеВ. Ці два апарати забезпечили найплідніші в історії фізики 20 років. Синхротрон — це розвиток циклотрона, де підтримується постійна орбіта частинок, що обертаються. Тоді магнітне поле повинне збільшуватися відповідно до прискорення. Обидва апарати мають обвід у 600 м.

Потоки протонів, прискорені приладами, тоді досягали 20—30 ГеВ. Це дозволяло утворити різноманітні пучки: піонів, каонів, фотонів, мюонів, нейтрино. Франція могла пишатися двома національними центрами: в Орсе, де містився прискорювач електронів, і в Сакле — прискорювач протонів.

Найзначнішим результатом було відкриття великої кількості нових частинок. Кількість частинок, що їх ми називаємо елементарними, швидко зросла до 200. Деякі з них, поіменовані резонансами — це тільки стани, які існують лише якихось 10-23 секунди. Це — різновиди більш звичних станів збудження частинок.

Втратилася простота будови матерії з обмеженою кількістю «цеглинок». Тоді Меррей Джелл-Манн і Джордж Цвайґ висловили припущення щодо існування нового рівня елементарності: рівня кварків. Протони і нейтрони, так само як і мезони, не є елементарними. Вони складаються з більш фундаментальних компонентів. Аби пояснити всі частинки, відкриті у той період, достатньо трьох типів кварків. Відштовхуючись від цих трьох складників, можна відтворити дві категорії частинок, що відповідають двом типам об’єднання кварків:

— поєднання кварк-антикварк, що утворює родину мезонів;

— поєднання трьох кварків, що утворює родину баріонів.

Необхідні на той момент три кварки дістали назви u-, d- та s-кварків. S-кварк (від англ. strange — дивний) характеризує дивні частинки. До трьох кварків варто додати групу з трьох антикварків.

Кварки мають цікаву властивість нести заряд, не більший за елементарний: u-кварк несе заряд +2/3, тоді як d- і s-кварки несуть заряд — 1/3.

Що стосується нуклонів, то протон відповідає поєднанню u-u-d, а нейтрон — u-d-d. Це відновлює загальний заряд +1 у протона та 0 у нейтрона. Склад антинейтрона — анти-u — анти-u — анти-d. Його заряд лишається нульовим, одначе за складом він усе ж таки відрізняється від заряду нейтрона.

Щодо третього типу — s-кварка з зарядом — 1/3, то за його допомоги можна побудувати низку нових баріонів (від грец. βαρόs — важкий). Скажімо, поєднання u-d-s із зарядом 0 відповідає Λ-баріонові, а u-u-s із зарядом +1 — Σ-баріонові.

Усі дивні баріони було вже відкрито, коли з’явилася кваркова модель — за винятком поєднання s-s-s із зарядом -1, названого Ω-баріоном. Це відкриття стало свого роду вінцем моделі. Провіщена частинка довго чекала свого часу. Вона побачила світ 1964 р. в Центрі Брукгейвена, у бульбашковій камері з рідким воднем, відомою як «80 дюймів». Це була та сама, відсутня ланка в розподілі частинок, передбачена кварковою моделлю.

Бульбашкова камера — вельми мінливий прилад, проте її технологія дозволила зібрати врожай відкриттів. Бульбашкова камера була дуже популярною в 1950—1970-ті роки, це — «робоча конячка» тієї доби. Її принцип дії подібний до принципу дії камери Вілсона, проте зміна фази позначається не лише на парі, яка конденсується, а й на рідині, що кипить. Камера складається з резервуара, заповненого рідиною, близькою до риски кипіння. Кипіння викликає толок, що послаблює тиск у вирішальну мить проходження частинок. Перехід із газового стану до стану рідини починається навколо іонів, які слугують запальниками. Тож на шляху заряджених частинок утворюються бульки. Камера робить світлини, за якими можна скласти уявлення про траєкторії. Можна простежити за всіма змінами заряджених частинок від точки взаємодії, а оскільки камера перебуває в магнітному полі, можна виміряти їхню енергію. Бульбашкова камера зберігає відбиток взаємодій, які відбулися всередині неї. Отримані світлини — дуже точні, кожну бульку визначено до 1/10 мм.

У 1960-х роках половина фізиків частинок уважали за своє головне завдання дослідження отриманих світлин і тлумачення результатів. Цей метод добре пристосовано до відносно рідкісних явищ. Бульбашкові камери існували до 1980-х років, зокрема їх використовували для вивчення взаємодій нейтрино внаслідок кількох актів. Проте бульбашкові камери мають значну ваду — у часовому вимірі. Механічний толок може вмикатись у середньому раз на секунду, тож камері бракує швидкості. За кілька місяців у бульбашкових камерах таланило зробити від десяти до ста тисяч світлин. Цієї статистики недостатньо для тлумачення проблем, що постають згодом, коли для незвичайних випадків потрібні мільйони, ба навіть мільярди актів. Нині від методу відмовилися, проте він зробив потужний внесок у розвиток галузі, явивши світу безліч мезонів та баріонів — що підтверджує відкриття Ω-баріона. «Сканувальниці», відповідальні за опрацювання світлин, перейшли до рангу звичайних секретарок.

Поступ, здійснений завдяки цій технології, був такий, що за нього дали аж дві Нобелівські премії. Спершу 1960 р. Дональд Артур Ґлейзер одержав премію за «винахід бульбашкової камери». Згодом, 1968 р. прийшла черга Луїса Волтера Альвареса за «внесок у фізику елементарних частинок, що став можливим завдяки водневій бульбашковій камері». Бульбашкова камера на рідкому водні мала величезну перевагу — ціль, яка складалася практично з самих протонів. Взаємодії, які в ній виникали, можна було тлумачити одразу, не озираючись на ядерні перетворення.

У ті часи наукова спільнота переділялася на дві групи, приблизно однакові за чисельністю — «бульбашистів» та «електронників». Останні розвивали нові технології фіксації частинок. Вони будували прототипи, калібрували їх, а коли дослід нарешті набував форми, складали інформаційні коди, здатні переводити сигнали у фізичні дані. Технологія ж бульбашкової камери, натомість, була незмінною, а інженери зводили дедалі більші резервуари. Аналіз світлин здійснювали тендітні ручки «сканувальниць». Тож фізикам лишалося більше часу на тлумачення результатів. Вони занурювались у феноменологію. Для декого з них перехід до електричних технологій був надто болісним.

Наприкінці 1960-х років фізики постали перед новою дилемою. Нейтрино, вигадане, аби пояснити β-промені, завжди супроводжує електрон. Нейтрино відкрили 1956 р., і його взаємодія справді, як і передбачали теоретики, породжувала новий електрон. А точніше — позитрон, адже реактор породжує антинейтрино. Отже, існував вузький зв’язок між нейтрино та електроном.

До речі, тоді вже було відомо, що частинка, виявлена в космічному випромінюванні та описана Окк’яліні та Павеллом — піон — розпадається на мюон і щось таке, що забирає певну енергію. Як у випадку розпаду β-променів, цю енергію намагалися пов’язати з невидимою частинкою, утвореною разом із мюоном, але яку не пощастило зафіксувати. Ішлося a priori про нейтрино. До того ж мюон також розпадався на електрон, виявити який нескладно, і щось таке, що забирає енергію. Отже, виникла потреба ще раз згадати про нейтрино.

Було відомо про три види розпаду, що характеризувалися зникненням енергії, а проблема полягала в тому, щоби дізнатися, чи у трьох випадках ішлося про один і той самий тип нейтрино. Теоретики не могла дійти спільної думки, вирішити питання мав дослід.

З цієї нагоди вперше в історії науки у прискорювачі було створено справжній потік протонів. Рецепт був доволі простий: протони якомога вищої енергії бомбували мішень, де утворювалися піони, що їм дозволяли розпадатись у доволі великому просторі. Словом, скопіювали те, що відбувається в атмосфері перед утворенням космічної зливи з мюонів, які падають на землю.

Головний виклик експерименту полягав у складності виокремлення реакцій, спричинених кількома нейтрино, які вирішили зупинитися просто в осередді детектора. Адже проблема з нейтрино лишалася та сама: вірогідність взаємодії — мінімальна. Одначе нейтрино завжди супроводжує сила-силенна інших частинок, які за першої-ліпшої нагоди не відмовляють собі у взаємодії, утворюючи океан áктів-паразитів. Отже, складність одержання пучка нейтрино полягала в необхідності спершу зупинити всі частинки-паразити, перш ніж поставити під небезпеку детектор у надії зафіксувати вельми рідкісні акти, утворені самими лише нейтрино. Тож із заліза та бетону звели вражаючий бліндаж, що з усіх боків оточував детектор. Через свою невидимість лише нейтрино здатні перетинати матерію на своєму шляху.

Пучок було утворено в прискорювачі Брукгейвена — він дозволяв протонові отримати енергію в 30 ГеВ . Нейтрино породжувалися внаслідок розпаду піонів, а отже, вироблялись одночасно з мюоном, на відміну від β-променів, виявлених під час досліду Рейнза.

Якби в природі існував лише один тип нейтрино, прилад мав би зафіксувати під час взаємодій однакову кількість новоутворених електронів і мюонів. Нейтрино з реакторів, які використовувалися до цього часу, мали енергію, занизьку для породження мюона з масою, набагато більшою за масу електрона. І навпаки, якщо нейтрино з прискорювача різні, то й утворюватимуться винятково мюони.

Під час досліду поталанило зафіксувати двадцять дев’ять актів взаємодії. Усе вказувало на слід мюона. Жоден акт не показав чистого електрона, який, замість утворювати такий довжелезний шлейф, зібрав би скупчення цяток. Напрошувався висновок: нейтрино, утворене одночасно з електроном, породжує під час взаємодії електрон. Нейтрино, утворене одночасно з мюоном, породжує мюон. Отже, в природі існують принаймні два різні типи нейтрино, які, відповідно, можна назвати електронними і мюонними нейтрино. Дослід відбувся 1964 р., і його ініціатори — Леон Ледерман, Мелвін Шварц і Джек Штайнберґер — одержали Нобелівську премію 1988 р. за «метод пучків нейтрино та демонстрацію подвійної будови лептонів завдяки відкриттю мюонного нейтрино».

Фіксація нейтрино — величезна проблема. Взаємодіючи, нейтрино зникає, породжуючи низку вторинних частинок. Тип нейтрино визначається присутністю серед утворених частинок або електрона, або мюона, або інших частинок — скажімо, піонів. Зауважмо, що існують і антинейтрино. Різниця визначається безпосередньо за продуктами взаємодії: мюонний нейтрино породжує негативний мюон, а антинейтрино утворює позитивний мюон.

Отже, фіксація взаємодії нейтрино здійснюється так само, як і інші фіксації — у бульбашкових камерах або електронних приладах. Проблема — у винятковості потрібних актів і складності відмежування від взаємодій-паразитів, які проходять набагато легше. Аби компенсувати дуже слабку вірогідність взаємодії, акти виявлення нейтрино повинні спиратися на потужний струм і величезну масу детектора. Вже дослід Рейнза показав, яких розмірів можуть досягати детектори.

На щастя, джерела нейтрино майже завжди дуже щедрі. Сучасні ядерні реактори випромінюють приблизно сто мільярдів мільярдів нейтрино щосекунди (без шкоди для довкілля). Насправді це — електронні антинейтрино. Сонце ж щосекунди надсилає потік з 60 мільярдів електронних нейтрино на один квадратний сантиметр земної поверхні — і вдень, і вночі, адже й вночі земна твердь не зупиняє польоту нейтрино. Що ж до прискорювачів, то їхній потік залежить від кількості протонів, випущених у ціль. Типовий сучасний прилад може утворювати близько 1011 протонів за один цикл, що дозволяє випустити близько 108 нейтрино. Пучок нейтрино споживає всі протони, прискорені у приладі, тому так складно проводити кілька схожих дослідів паралельно. Фізики, які досліджують нейтрино, вимагають ексклюзивності своїх експериментів.

Часто у фізиці виникає питання симетрії. Але що воно таке — симетрія? Це перетворення, що залишає незмінними рівняння, які керують явищами, що підлягають розглядові. Її наслідок — закони збереження. Так, симетрія переносу, що характеризує однорідність простору, пов’язується зі збереженням енергії. Симетрія обертання, яка характеризує ізотропність простору — а закони фізики однакові незалежно від напрямку, — асоціюється зі збереженням кутового моменту. У більш розгорнутому вигляді принцип відносності передбачає, що всі фізичні закони однакові, хоч би яким був відносний рух окремих спостерігачів, що пересуваються з незмінною швидкістю. Айнштайн поширив цей принцип на прискорені рухи: пришвидшений спостерігач може уявити, ніби не рухається, а сила, дію якої він відчуває, є наслідком гравітаційного поля. Отже, щойно на обрії з’являється гравітація, всі спостерігачі опиняються в рівних умовах. Більш абстрактна симетрія еталону характеризує три негравітаційні різновиди взаємодії. Застосовується вона, приміром, в електриці, де результат залежить лише від різниці потенціалів, а не від їхнього точного значення.

Враховуючи все сказане вище, можна констатувати, що на Землі панує очевидна асиметрія — неврівноваженість матерії та антиматерії. Однак у світі частинок матерія та антиматерія співіснують, достоту близнючки. Разом народжуються і разом зникають. Єдина різниця між ними — протилежні заряди. Чому ж тоді впродовж розвитку Всесвіту вижила тільки матерія, хоча в момент Великого вибуху, як припускають, панувала симетрія?

Складники відповіді на це запитання знаходимо в порушеннях симетрії, відомих як дискретні або уривчасті. Усього відомо три типи таких порушень: передусім ідеться про симетрію люстра, яку називають відповідністю Р; далі — симетрія матерія-антиматерія, відома як поєднання заряду С; нарешті — зміна напрямку часу Т. Відображення у дзеркалі (симетрія Р) здавалося природним, пов’язуючи явища, що могли відбутися з однаковою вірогідністю. Це було справедливим щодо електромагнітних і сильних взаємодій, одначе не здійснилося щодо слабких взаємодій. Порушення симетрії Р відкрили 1956 р. в процесі радіоактивного розпаду кобальту-60, що випромінював електрони. Магнітне поле скеровує рух частинок. Скероване донизу, воно відхиляє спіни ядер кобальту в цьому напрямку. Електрони ж прямують угору. Симетрія у дзеркалі дає конфігурацію поля, скерованого вгору, де електрони рухаються вниз. Тобто, у протилежному напрямку, ніж у реальному світі. Ситуація, що спостерігається, не є наслідком віддзеркалення — симетрія порушується, бо напрямки не є тотожними.

Правильну симетрію намагалися відшукати, порівнявши Р і С — поєднання заряду мало перетворювати частинки на античастинки. В антисвіті ядра антикобальту мають спін, скерований донизу, і випромінюють позитрони також донизу. Напрямки руху електронів і позитронів є протилежними — симетрію С порушено. Більшість фізиків дійшли висновку, що, ввівши в дію одночасно С і Р, можна зберегти симетрію СР — себто після перетворення СР можна отримати рівною мірою вірогідне явище. Але 1964 р. зрозуміли, що химерні нейтральні частинки, названі мезонами-К0 під час розпаду з легкістю порушують цю симетрію. Це порушення — виняткове, бо зустрічається лише в трьох на тисячу актів. І все ж воно є надважливим, і згодом визнають, що воно підтримує правдоподібне пояснення асиметрії матерії-антиматерії, виявленої у Всесвіті. У 1980 р. Джеймсові Вотсонові Кроніну та Велові Лоґсдонові Фітчу дали Нобелівську премію за «відкриття порушення фундаментального принципу симетрії».

Це відкриття здійснили в Брукгейвенській лабораторії, де до того довели існування Ω-баріона та другого нейтрино. Серцем лабораторії був протонний прискорювач потужністю у 30 ГеВ — найпотужніший прискорювач тих часів, який і досі працює.

Знаючи, що симетрія СРТ, що поєднує три дискретні симетрії, ґрунтується на фундаментальних принципах спеціальної теорії відносності та квантової механіки, можна зробити висновок, що симетрія стосовно зміни напрямку часу Т також порушується. Але не так просто прокрутити назад стрічку про субатомний світ. Це стало очевидно 1998 р. в ході порівняння розпадів К0 та її античастинки.

Досі ми намагалися описувати різні способи фіксації, що сприяли епохальним науковим проривам. Менш відомий бік фізики частинок полягає у використанні набутків інформатики, яка поступово розвивалась і нині перетворилася на науку-гегемона. Адже недостатньо зібрати дані у вигляді світлин з бульбашкових камер або електричних сигналів — з них іще треба «дістати» фізику. Дослід із порушенням СРТ став блискучим вступом до головного аспекту роботи фізика.

Експеримент із відкриттям першого нейтрино полягав в обрахунку частки актів, де фотопомножувачі зафіксували доволі сильний світловий сигнал. Дослід із другим нейтрино можна звести до спостерігання за картинками та обрахунку кількості взаємодій, в ході яких виникав достатньо довгий шлейф. Світлини з бульбашкових камер почали потребувати точного вимірювання викривлення шлейфів під дією магнітних полів.

Дослід із порушенням СР є прикладом сучасного експерименту, коли електричні сигнали ототожнюються з цятками у просторі, а видимі сліди перетинаються задля утворення частинок, які повідомляють про себе лише продуктами свого розпаду. Треба відтворити невидимі частинки-посередників. Зокрема, сигнал про порушення СР полягає в розпаді мезона-К0, тривалість життя якого дорівнює двом життям піона. Отже, йдеться про відтворення незмінної маси двох частинок із протилежними зарядами лише задля того, аби переконатися, що вони походять від К0 відомої маси. Попередні досліди обмежувались обрахунком кількості електричних сигналів, а тут метод набагато більш прогресивний, бо йдеться про математичне ототожнення параметрів шлейфу — отже, застосування кібернетики не уникнути. Нині комп’ютери стали невід’ємним складником процесу фіксації. Вимірювані цятки запам’ятовуються, а дедалі складніші алгоритми стають необхідними для пошуку необхідної інформації серед сирих даних.

Сьогодні науковці з лабораторії фізики частинок здебільшого сидять перед екранами комп’ютерів. До слова, варто зазначити, що в 1960-х роках фізика частинок найбільше сприяла розвиткові кібернетики. ЦЕРН посідав найбільші комп’ютери тих часів, а найповажнішим клієнтом центру був Пентагон. Мережу (Web) винайшли задля полегшення спілкування фізиків частинок. Нині метеорологічні інститути і центри розроблення автомобілів мають однакові засоби обчислень. Фізика мусить повернути собі пріоритет задля експериментів нового покоління, в ході яких доведеться перетравити небачену кількість даних і які потребуватимуть розвитку оброблення даних через паралельне використання тисяч комп’ютерів.

Розвиток фізики частинок, що полягав у відкритті багатющого бестіарію дивовиж, відвернув увагу від систематичного пошуку глибших структур. У фізиків було забагато роботи з вивченням цілого звіринцю нових частинок та їхньої непередбачуваної поведінки. Втім, фізики не забули про досвід Резерфорда.

Зв’язок між енергією зонду, який виконує роль такого собі скальпеля, та розмірами досліджуваного об’єкта випливає з квантової механіки: розміри, яких можна досягнути під час експерименту з дифузії, відповідають довжині хвилі, випромінювання, за допомоги якого вивчають матерію. Щоби бачити глибше, треба бити сильніше, тож прискорювачі постійно збільшують енергетичну потужність.

Побачити якийсь об’єкт крізь оптику означає зібрати на сітківці ока фотони, передані або відображені цим об’єктом. У цьому випадку носієм інформації виступає видимий фотон, довжина хвилі якого приблизно дорівнює одному мікрону. Він дозволить розрізнити деталі відповідних розмірів. Наприклад, простим оком можна побачити волосину діаметром приблизно 20 мікронів. Оптичний мікроскоп лише концентрує світло, але не змінює довжини хвилі. Аби вирізнити менші деталі, слід скористатися електронним мікроскопом. Цей прилад використовує потоки електронів, прискорених завдяки електричній напрузі до енергії в тисячі разів більшої, ніж енергія оптичних фотонів (кеВ). Таким чином стають доступними розміри атомного рівня. Резерфорд використав у тисячу разів потужніше (МеВ) випромінювання, аби зондувати ядро. Космічні промені дають, як ми вже мали змогу побачити, цілком природну можливість піти ще далі, проте умови використання — ризиковані. В систематичних обчисленнях економити на прискорювачах не можна.

Природа зонда, що використовується, також є дуже важливою. Обраний зонд не повинен бути структурою на тому ж рівні розмірів, на якому відбувається дослідження. Так, прискорений протон можна уявити як торбу, повну кварків, що ділять між собою сукупну енергію частинки-снаряду. Коли протон взаємодіє, на елементарному рівні кварків не можна з точністю сказати, яку саме енергію має задіяний складник. Оскільки кварки не здатні вільно являтися, той, який взаємодіє, перш ніж дати себе виявити, «вдягається», через що виміряти безпосередню енергію дифузії дуже складно.

Тож, аби вивчити внутрішню будову матерії, за зонди взяли електрони. Хоч би якою була шкала, вони завжди будуть на ній цятками. Згодом дуже цінними інструментами дослідження елементарної структури стануть і нейтрино.

Завдяки прискорювачеві електронів, зведеному у Стенфорді, — він досягає потужності у 100 МеВ, що відповідає довжині хвилі, меншій за 10-15м, — і техніці, винайденій Резерфордом, Роберт Гофстедтер взявся визначити розміри та внутрішню структуру протону. У 1961 р. він отримав Нобелівську премію за «електронну дифузію та структуру нуклона».

Пошуки тривали завдяки новому прискорювачеві, зведеному у велетенському університетському містечку у Стенфорді та названому чудовиськом через розміри, які в ті часи могли видатися величезними. Будівництво було завершене 1966 р., прискорювач лінійного типу був задовжки 4 км. Цю пряму, що перетинає пагорби, легко побачити з літака перед приземленням у Сан-Франциско. SLAC — Стенфордський лінійний прискорювач дозволяв електронам досягати енергії, яка тоді вважалася колосальною — 20 ГеВ. Дослід із дифузією, здійснений завдяки цьому приладові, 1990 р. приніс Нобелівську премію Джеромові Айзекові Фрідману, Генрі Вею Кендоллу та Ричардові Едвардові Тейлору за «глибоко непружну дифузію електронів і кваркову модель». На другому етапі стенфордський прискорювач було модернізовано, і 1990 р. його енергія могла сягати рівня 50 ГеВ.

Два уточнення. Енергія електронів рівня 20 ГеВ вважається колосальною, хоча з 1958 р. такого рівня досягали протони. Але з електронами досягти високого рівня енергії значно важче. Адже маса в них невисока, і випромінюють вони слабувато — електрони втрачають енергію, коли хтось намагається змінити траєкторію їхнього руху, що пояснює, чому прискорювачі електронів із високим рівнем енергії є переважно лінійного типу. Масивніші протони поглинають усю приступну енергію. Втрати енергії, яких вони зазнають через викривлення траєкторії в магнітному полі, починаються з рівня енергії, досягати якого нині навчилися.

До речі, з відкриттям Ω-баріона кваркову структуру адронів було затверджено. Але про це дізналися з даних щодо симетрії, а не завдяки динамічному виявленню. Експерименти з дифузією намагалися знайти структуру протона у вигляді твердих об’єктів, що їх називали партонами, тобто невеличкими частинками. Це підтвердив дослід у Стенфорді. Згодом партони ототожнили з кварками, але партони виходили за межі трьох уже описаних типів кварків, названих кварками валентності, оскільки вони передають свої властивості частинкам. У протоні повно партонів, адже поруч із введеними кварками існує безліч пар кварк-антикварк, що їх нині ми навчилися майстерно зондувати.

Аби продовжувати дослідження в цьому напрямку, довелося сплатити високу ціну. З часом прилади ставали дедалі більшими. Щоби зводити їх і проводити спостереження, потрібна була широка співпраця. Бекерель працював сам, викладаючи на обпечене сонцем підвіконня кристали, що містили уран. То був щасливий час, коли фундаментальні відкриття робилися на самоті! Резерфордові допомагали двоє молодших співпрацівників, що обраховували вплив α-променів на екран із сульфіду цинку. Для введення в дію перших прискорювачів потрібна була низка експертів, а на передовій опинялися інженери, необхідні для їхнього зведення. Та й експерименти об’єднували команди з кількох фізиків. У 1964 р. дослід, що привів до відкриття порушення СР, поєднав лише чотирьох науковців, двоє з яких поділили між собою Нобелівську премію.

Співпраця вчених у роботі з бульбашковими камерами поширювалася відповідно до кількості світлин, що їх треба було обробити. Вивчення світлин відбувалося звичайно простим оком, а машини запам’ятовували характеристики шлейфів. Найточніші дослідження потребували до 100 тис. світлин, і кожна з них вимагала — відповідно до складності — від хвилини до години; тож зрозуміло, чому в більшості лабораторій постало питання про окреме вивчення світлин — це завдання виконували десятки фізиків. Та це ніщо порівняно з арміями науковців, які йшли на приступ експериментів.

Фізики частинок спершу роз’їхалися по університетах, розкиданих по Європі та Північній Америці, а згодом і в Японії, та зосередилися навколо кількох прискорювачів, і кожен з них прагнув якнайпотужнішого приладу. За часів першопрохідців розміри приладів були університетськими, а самих центрів було досить багато. Згодом, через потребу користувачів у більшій енергії, прилади більшали, а центри набували національного та міжнародного статусів.

У радянській Дубні звели протонний прискорювач на 10ГеВ — рекордсмен свого часу. У лабораторії працювали вчені з деяких країн Сходу та Азії. У 1958 р. з’явився ЦЕРН із протонним прискорювачем на 28 ГеВ — це стало символом відродження континенту після лихоліть війни. По кількох місяцях запрацював прискорювач у Брукгейвені, який із незначною перевагою став новим рекордсменом.

Сьогодні ЦЕРН можна вважати лабораторією світового рівня, — адже в ньому працює половина з 8 тис. фізиків частинок, які живуть на земній кулі. Щоправда, більшість із них не мешкають у ЦЕРНі, а відвідують його на певні періоди часу. Під час «золотої доби» постійний персонал ЦЕРНу налічував 4500 осіб — інженерів, техніків, адміністраторів, — що спирався на кістяк із кількадесят фізиків. Нині тут постійно працює близько 2 тис. осіб.

У 1960—70-х роках такий прискорювач, як у ЦЕРНі, дозволяв проводити кілька дослідів паралельно. Центральна машина прискорює протони, а отриманий потік можна переділяти на кілька пучків. Протони можна використовувати для безпосереднього бомбування мішені, але з них можна й утворювати пучки різноманітних вторинних частинок. Таким чином утворюються потоки піонів, фотонів, мюонів або нейтрино, енергія яких залишатиметься в межах початкової енергії протонів-генераторів. У ті часи в ЦЕРНі існували дві великі зали, де постійно відбувались експерименти, кожен із яких мав власний потік, що живив детектор, призначений для вузького дослідження, власну контрольну кімнату, затиснуту між високими бетонними стінками, що поглинали небажану радіацію.

Величезній кількості експериментів відповідав широкий спектр тем досліджень. Хтось спеціалізувався на вивченні резонансів, хтось — на фізиці каонів або нейтрино. Ентузіазм був такий, що його можна було помацати. Середній вік дослідників був досить низький, адже галузь переживала розквіт, багато хто рвався сюди. Тридцятирічний молодик міг керувати групою аспірантів. Галузь іще певною мірою залежала від теорії — перевірялися всі можливі ідеї, а доступні кошти давали можливість проводити великі дослідження.

Дух новизни рухав фізиками з усієї Європи, до того ж канікули в університетах тимчасово звільняли викладачів від їхніх обов’язків. Насамперед тут відчувалася неймовірна свобода. Кожен захищав свою думку, а оскільки лакун було дуже багато, приймалися будь-які задуми. Єдиним суддею була природа, а для цього достатньо було запропонувати експеримент, що його — в разі наявності хоч якоїсь інновації — урочисто освячував комітет. Вільнодумство підкріплювалося вільноробством. Керівництво демонструвало відкритість новим ідеям. Прилади ще не вражали розмірами, і п’ятьох фізиків для одного досліду було достатньо. Але під тиском часу атмосфера, де кожен міг робити те, що вважав за доцільне, значно змінилася.

Група Жоржа Шарпака займала дві-три кімнатки та робітню на п’ятому поверсі одного з корпусів, звідки, за ясної погоди, видно Монблан у всій його величі; на першому плані — високі дерева, за листям яких можна простежити зміну сезонів. Шарпакові допомагали двоє інженерів та асистент — молодий італієць, випускник аспірантури.

Робітня Шарпака, заповнена шафками, розкиданими газовими балонами та дротами, натягнутими в усіх напрямках, нагадувала лабораторію початку ХХ ст., діяльність якої дуже скидалася на в’язання. Група прагнула розвивати нові ідеї щодо виявлення частинок.

Задум Шарпака був вельми простий: зібрати велику кількість рурок Ґайґера і прибрати перетинки між ними. Залишається велика кількість паралельних натягнутих дротів під високою напругою, причому масу обабіч чутливої поверхні утримує металева решітка.

Утворення електричного сигналу під час проходження зарядженої частинки — відоме явище. Спостереження його в рурках Ґайґера давно описано. Дріт під високою напругою протягнено в осередді циліндричної ємності, заповненої аргоном — газом, який легко іонізується. Електрони та іони розділяються під дією панівного електричного поля. Якщо електронів, які притягуються до центрального дроту, достатньо, вони породжують електричний струм, що його збирають у пристосованій для цього мережі. Сигнал іде не від прибуття надто швидких електронів, а від відхилення іонів до катодів, відхилення набагато повільнішого, ніж те, що його у змозі зафіксувати електроніка. Аби прилад був справді дієвим, варто використовувати дуже тонкий дріт. У найближчому околі він підтримуватиме електричне поле, яке буде то сильнішим, що меншим буде радіус (поле змінюється за формулою 1/r, де r — радіус дроту; як наслідок — швидке примноження вторинних послідовних іонізацій, які утворюють поблизу дроту лавину та електричний сигнал.

Винахід, який було зроблено, виник завдяки затятій незгоді з думкою більшості колег, переконаних, що поєднання рівнолежних металевих дротин у газі під достатньою електричною напругою ніколи не дасть сигналу в разі проходження іонізуючої частинки. Боялися не того, що частинка не залишить жодного сліду по своєму проходженні, а, навпаки, що відгукнуться всі дротини одночасно. Традиціоналісти стенали плечима і казали: індукція. Сумнівалися, що сигнал обмежиться дротиною, найближчою до траєкторії. Проте Жоржа не зачіпали, адже його досліди, зрештою, коштували недорого.

Одна з найбільших проблем експерименту полягала у стабільності приладу. Вибір упав на дроти з позолоченого вольфраму: вольфрам чинив опір високій механічній напрузі, а податне золото згладжувало вади вольфрамової поверхні. Постачальник — здається, швед — виробляв дроти діаметром у 20 мікрон — це діаметр тоненької волосини.

Друга проблема вимагала ще глибших розмислів. Виявилося, що камери працювали хоча безпомилково, але впродовж дуже короткого проміжку часу. Звичайно експеримент з високими енергіями триває багато років, а отже, навіть найкращий з-поміж детекторів, який пропрацював би щонайбільше добу, не підходить — це антикваріат, гідний музею і абсолютно безпорадний. Після кількох годин роботи спостерігалася поява дивних волокон між дротинами. Росло волосся, утворюючи «мости», що коротили весь прилад. Звідки бралися ці нарості? Винного знайшли швидко: використовуваний газ полімеризувався під дією електричної напруги.

Ми вже писали, що газом, який наповнював ємність, де народжувалась іонізація, був аргон, але чистий аргон — дуже чутливий газ, тому сигнал, викликаний проходженням однієї частинки, не релаксує, залишаючи камеру в намагніченому стані. Щоб обмежити сигнал у часі, слід було додавати інший газ — дезактиватор, що душить численні фотони, утворені в лавині. Проблема полягала у виборі іншого газу та його кількості. Формула нагадувала кулінарний рецепт — поєднували іноді три різні гази. Отриману мікстуру назвали чарівним газом. Складні змішувачі відправляли газ крученою руркою — точнісінько крапельниця в лікарні, що підтримує життя у хронічних хворих.

Після перших неуспіхів, метод невдовзі показав свої переваги. Відстань між дротинами визначили у 2 мм, — тож просторові показники були значно більші за розміри наявних приладів. Склавши купу з багатьох рамок, можна було зафіксувати проходження частинок у трьох і відтворити траєкторії у просторі з високою точністю.

Камери ширшали, ставали вищими, досягали площі у кілька квадратних метрів, точність значно покращилася. Тож великі відкриття у фізиці частинок, зроблені в середині 1970-х років, великою мірою завдячують методові, розробленому Шарпаком і його командою. Після 1975 р. всі великі експерименти проводились у таких камерах та їхніх спадкоємицях — і це не дивно, адже вони являли значний прогрес як у просторових вимірах, так і в швидкості досліду.

Довгий час ці камери називали MWPC (багатодротовий пропорційний лічильник) або камерами Шарпака. Коли електронне обладнання стало швидшим, камери Шарпака еволюціонували в електронно-дрейфові. У 1992 р. Жорж Шарпак отримав найвищу у фізиці відзнаку за «винахід і розвиток багатодротових пропорційних камер».

Попри зростання ваги європейського центру, у серці каліфорнійської Силіконової долини — тоді відомої значно менше, ніж нині, та все ж уже тоді провідного осередку винахідництва — сталася «листопадова революція 1974 р.».

Площа університетського містечка у Стенфорді дорівнює площі Парижа. На самому краю існує лабораторія, про яку вже йшлося вище — SLAC, і головною робочою силою якої є лінійний прискорювач електронів, введений у дію 1966 р. Обіч цього монстра звели енергетичний колайдер доволі скромних розмірів. Його бомбардували електронами і позитронами напругою до 2 ГеВ.

Що таке колайдер? Це прилад, який у протилежних напрямках пришвидшує частинку та її античастинку. Машина складається з одного-єдиного кільця, оскільки частинка і античастинка летять у протилежних напрямках і перетинають однакову електромагнітну структуру. Колайдер у Стенфорді назвали SPEAR (Стенфордське кільце — прискорювач позитронів та електронів). Він мав діаметр близько 80 м, тобто доволі невеликий порівняно з іншими приладами тієї доби. Таку машину звели не вперше. Схожі прилади будували у Фраскаті неподалік Рима, а потім в Орсе (Франція), а точнісінько така сама машина стояла у Гамбурзі. Проте стенфордський колайдер був на той час найпотужнішим.

Інтерес до колайдерів легко зрозуміти. Фізика частинок довгий час обмежувалася ступанням у слід Резерфорда — бомбардували нерухому ціль прискореними частинками, вивчаючи, що з цього вийде. Головним мотивом були пошуки нових рівнів елементарності у спосіб стеження за напрямком частинки після зіткнення. Другий мотив — творення нових частинок. Подібний експеримент мав місце в лабораторному притулку, де зазвичай працюють фізики. У такій конфігурації енергія, що рухає частинкою, якою бомбують, допомагає утворювати вторинні частинки, урухомлюючи їх. А й справді, збереження імпульсу (p=mv, де m — маса, а v — векторна швидкість частинок) примушує частинки, що вилітають, слідувати за частинкою, що бомбує.

За конфігурацією колайдера первісні частинки посідають якості протилежних рухів. Взаємодія відбувається за нульового сумарного імпульсу. Кажуть, що зіткнення відбувається у цятці центру маси. Це дозволяє створювати нові частинки набагато більших мас, оскільки будь-яку енергію зіткнення можна повністю перевести у масу. Аби підкреслити перевагу такої конфігурації, зауважмо, що відповідна енергія, яку має посідати протон, що бомбує інший протон на цілі, аби урівняти умови функціонування у LHC — великому адронному колайдері — найпотужнішому на сьогодні приладі, повинна дорівнювати 100 000 ТеВ. Це нереально!

Електрони і позитрони — елементарні частинки, їх зіткнення мають чимало переваг. Анігіляція дозволяє переводити всю енергію, доступну в первісному стані, в масу частинок відповідно до рівняння Айнштайна E=mc². Початковий стан, за остаточним визначенням — це чиста енергія. Одначе не про чисту енергію йдеться під час зіткнення протонів, яке можна уявити, як зіткнення двох торбин із кулями, адже протони — не елементарні. Тлумачити акти, отримані у разі зіткнення електронів з протонами, набагато простіше.

Утім, обрахувати анігіляцію — електромагнітне явище — неважко. Ефективний переріз зменшується, як і квадрат доступної енергії. Ефективний переріз взаємодії визначає вірогідність її здійснення. Зіткнення двох частинок може бути більш або менш успішним у сенсі утворення нових частинок. Ефективний переріз буде то вищим, що легше утворення акту.

Кільце колайдера SPEAR почало діяти 1973 р. Йому допомагав детектор із аналізу зіткнень, відомий як «Марк-1». Було здійснено низку обчислень, аби точно визначити зміни ефективного перерізу анігіляції залежно від енергії приладу, що послідовно збільшується «кроками» у 100 МеВ. Результати настільки не збігалися з прогнозом, що ніхто нічого не зрозумів. За найвищого з можливих рівнів енергії збирали приблизно вдвічі більше актів, ніж передбачалося. Звинувачувати в чомусь електромагнітну теорію було безглуздо — адже все ретельно перевірили. До того ж дані, отримані за енергії у 3,1 ГеВ (1,55 ГеВ на кожен пучок, на перший погляд не здавалися сталими і не демонстрували якихось неймовірних результатів.

Літо 1974 р. було позначено самоаналізом. Отримані результати не справджували прогнозів, і ніхто не знав, як їх витлумачити. Декому здавалося, ніби з’являється нова взаємодія, що накладається на електромагнітну. Дуже ретельно вивчили аналіз даних, одержаних за енергії 3,1 ГеВ.

Ні в сих, ні в тих група була до вихідних 10 листопада. Цей день став днем звільнення. Вирішили ще раз зібрати дані в сегменті 3,1 ГеВ — саме ця енергія, здавалося, могла дати ключ до розгадки, — проте обережніше, з інтервалами в 1 МеВ. Загадку розкрили, констатувавши, що за енергії 3,096 ГеВ ефективний переріз збільшувався просто на очах. На екрані головного комп’ютера у лічильній залі акти виникали шквалами, хоча минулого разу між двома випадками могло минути кілька хвилин. Експеримент випадково натрапив на специфічний резонанс — невідомого типу, коли ефективний переріз зростає до мізерного коефіцієнта 2 на вершині піку. Тут зростання досягало коефіцієнта 100.

Попередній аналіз здійснювали, не переймаючись точною кількістю енергії приладу — йшлося про доволі грубе сканування, пошук невисокого рівня змінності ефективного перерізу. Сканування — мов крізь дрібне сито — виявляло пік, раніше не помічений на рисках вимірювання.

Резонанс, відкритий таким чином, мав одну дивну властивість: він був неймовірно вузьким, а тривав набагато довше, ніж можна було очікувати від резонансів відомих на той час типів з тотожною масою. Сталася справжня революція — існування резонансу не можна було пояснити в рамках теорії моментів. Казус указував на якусь нову фізику. Цей резонанс назвали ψ-резонансом — на той час майже всі літери грецької абетки було зайнято іншими частинками.

Для фізиків ця пригода стала справжнім дивом. Звичайно відкриттям у фізиці не дуже радіють. Адже здебільшого вони приводять до тривалих пошуків, а тлумачення отриманої інформації змінюється залежно від зростання статистики зібраних даних. Дуже часто відкриття спирається на теоретичне передбачення, позбавляючи практиків більшої частини заслуженої ейфорії. А тут — повна несподіванка!

Залишалося підвести під відкриття теорію. Теоретики SLAC негайно зібралися на тижневий з’їзд. Навколо двох вірогідних ідей згуртувалися два табори: з одного боку, обстоювали думку про появу четвертого типу кварків, з іншого — ідею про утворення нового характерного квантового числа — кольору. Невдовзі зійшлися на кварку, який охрестили зачарованим. Нова ψ-частинка, як виявилося, входила до складу зачарованого кварка та його антикварка. Насправді риси четвертого кварка було описано вже давно — так намагалися пояснити деякі аномалії, а розмови про новий резонанс точилися ще за рік до відкриття, але тоді практики не взяли це до уваги.

Теоретики вдосконалили модель, що дозволила провести решту експерименту, в ході якого впродовж двох років було відкрито спершу нові стани, близькі до ψ, але з більшими масами, а згодом — стани шармонія, тобто сукупності збуджень поєднання кварк-антикварк. Нарешті в 1976 р. відкрили голий чар, себто складники, що пов’язують новий кварк із попередніми. З’явилася родина доти невідомих частинок.

Ідея кварка, яку досі вважали зручним, хоч і дещо надуманим риштованням для розуміння структури матерії, виявилася досить хисткою. Невдовзі постали нові відкриття. Ціла симфонія актів тримала нову теоретичну будову.

Паралельно у Брукгейвенській лабораторії проводили інший експеримент. Він досліджував можливість утворення — під час зіткнення протонів — нових частинок, які розпадалися б на пари електрон-позитрон. Такі частинки — векторні мезони ρ, ω та φ масою до 1 ГеВ — вже були добре відомі, тож сімейство хотіли поповнити. І справді, у даних, зібраних влітку 1974 р., було зафіксовано пік. Це свідчило про нову частинку, спочатку названу J. Без сумніву, йшлося про стан, раніше виявлений додатковими методами, тож, аби нікого не образити, частинку перейменували у J/ψ — дещо химерна назва, яка, проте, збереглася до наших днів. У 1976 р. — незабаром після відкриття Бертон Ріхтер і Семюел Чжаочжун Дін одержали Нобелівську премію за «винахід масивної елементарної частинки нового типу».

Проте на цьому шафка з сюрпризами «Марка-1» не спорожніла: 1975 р. в ході експерименту було відкрито тау — брата електрона й мюона, що започаткував третє сімейство елементарних складників. Феноменологію третього зарядженого лептона вже було описано. Отже, теорія вже існувала, залишалося довести існування такої частинки і визначити її масу. Пошуки велися на низьких енергіях, але безрезультатно. Відкриття було не таким однозначним, як у випадку з ψ. Робота йшла кропітка, кандидати на новачків збиралися повільно. Акти були анормального типу, бо начебто порушували принцип збереження квантового числа, пов’язаного з сімействами складників. У них брали участь один електрон і один мюон — і все, спостерігався брак енергії. Електрон і мюон належать до різних сімейств, тож, щоби зрозуміти подібний акт, треба уявити утворення на рівні зіткнення пари нових лептонів, кожен з яких розпадається в електронному або мюонному каналі.

Слід був вірогідний, та аж ніяк не певний. У впізнанні типу частинки часто трапляються казуси, тож ніхто не заклався би на відкриття нового лептона. Мартінові Льюїсові Перлу знадобилася вся його впертість, аби вдосконалити свій аналіз і переконати співавторів із відкриття. У 1995 р., після тривалого очікування Перла (разом із Фредеріком Рейнзом — за виявлення нейтрино) було вшановано Нобелівською премією за «новаторський експериментальний внесок у фізику лептонів», себто за відкриття τ-лептона. Хоч і йдеться про лептон (від грец. λεπτός — легкий), нова частинка важить майже вдвічі більше, ніж протон.

J/ψ і τ стали останніми неочікуваними відкриттями у фізиці частинок. Будуть і інші, проте вони вже не стануть таким вражаючим свідченням ні вигадливості теоретиків, ні вдачі та настирливої цікавості практиків.

Дослід на «Марку-1» є вершиною експериментальної фізики. Одначе цей прискорювач досить скромний порівняно зі стенфордським монстром. Його зводили власним офіційним коштом. Експеримент ніби видав вірчі листи методові колайдерів, який одразу набув небаченого поширення.

Прилад називали, наслідуючи традицію іменування прототипів в автомобільній промисловості — і він, справді, став першим у серії, яку продовжили «Марк-2», «Марк-3» та J. Він ввів у обіг концепт детектора соленоїдної структури 4π, що охоплював усі напрямки від центру, де відбувалися зіткнення. Перевага нового детектора була в тому, що не залишалося «дірок» під час виявлення та була впевненість у тому, що обраховано все. Кільце, що скеровувало потоки, перетинало детектор, а зіткнення відбувалися в його центрі. Усе перебувало в однорідному магнітному полі, рівнолежному потокам. Поле огинало сліди, що дозволяло виміряти заряд та енергію.

Різні типи детекторів могли щонайточніше визначити характеристики частинок, що випромінювались у центрі — не лише їхню енергію, а й саму їхню природу. Спершу центральний траєктограф стежив за зарядженими частинками. Тодішній метод ґрунтувався на дротових камерах ємнісного зчитування, які давали досить посереднє зображення та й швидкість мали нижчу, ніж камери Шарпака. Простеживши за всіма слідами, але не розрізняючи їх, учений виявляв електрон завдяки пучкові, що утворювався в приладі, названому калориметром. Мюон виявляли за межами структури, адже він легко перетинає великі обсяги матерії. Цей принцип вимірювання кількома детекторами згодом неодноразово наслідували — аж до нинішніх колайдерів.

Наприкінці 1980-х років фізика частинок динамічно розвивалась у чотирьох головних центрах: трьох у Сполучених Штатах і ЦЕРНі в Європі.

Треба визнати, що ЦЕРН, бюджет якого дорівнював бюджетам усіх трьох американських лабораторій, трофеями похвалитися не міг. Порівняно з відкриттями Ω, порушення ЗП, J/ψ та, у 1977 р., Y, що провіщала появу четвертого кварка — b-кварка, а також указувала на існування партонів, ЦЕРН міг похвастати хіба відкриттям слабких взаємодій з нейтральними струмами та впровадженням пропорційних камер, які, звісна річ, оновили всі методи виявлення. Авжеж, ЦЕРН здобувся на незаперечну репутацію компетентної установи, проте ніби затявся на сумлінних обрахунках, залишивши право чинити відкриття заатлантичним колегам. Справжня гегемонія ЦЕРНу почалася значно пізніше.

Найпереконливіший приклад — низка дуже цінних досліджень мюона. Відкритий у космічних променях мюон був подібним до важкого електрона, магнітні властивості якого не проявляли суттєвих відхилень від властивостей звичайного електрона. Починаючи з 1960-х років, електромагнітна теорія значно вдосконалилася. Щодо значення, яке характеризувало магнетизм електрона, експеримент показував 1,0059…, а теорія передбачала теж 1,0059… з десятьма, а згодом і дванадцятьма знаками після коми. У розрахунках брали до уваги взаємодію електрона з вакуумом, що за короткий час втілювалась у випромінювання та поглинання променів, з якими частинка могла би взаємодіяти. Що ж до електрона, то він не мав жодного іншого сліду взаємодії, крім електромагнетизму. Можна було сподіватися: якщо маса мюона залежить від таємничих взаємодій, то вони здатні змінити його магнетизм.

Тривалість життя мюона незначна — дві мільйонні частки секунди, тож проводити дослідження треба дуже швидко. Уперше магнетизм із точністю більшою, ніж до одної мільйонної, виміряли у ЦЕРНі. Потім експеримент повторили у кращих умовах. Тоді точність досягла однієї мільярдної; не було знайдено жодного відхилення в магнетизмі мюона.

Велич цих обчислень вражає. Мюон не зазнає жодної нової взаємодії; електромагнетизм підтверджується з небаченою точністю. Зауважмо, що, коли в 1990-х роках цей дослід повторили в Брукгейвені, невеличке відхилення таки знайшли, але теоретичні обрахунки настільки ускладнилися, що результат так і залишився не витлумаченим і нікому було констатувати порушення електромагнетизму.

Інженери ЦЕРНу також розробили перший протонний колайдер. ISR (Кільце перехресного накопичення) запрацювало 1971 р. Колайдер складався з двох окремих кілець із потоками, дуже точно скерованими на точки зіткнення. Попри технічний виклик, який було блискуче подолано, відкриття не вийшло, але набутий досвід призвів невдовзі до успіху. ISR поквапилися закрити у 1987 р. — і ніколи вже колайдер не мав такого довершеного детектора. Компенсація величезних зусиль була мізерною. Те саме сталось і з самобутнім протонно-електронним колайдером, зведеним у центрі DESY в Гамбурзі⁴⁶. Йому ми зобов’язані виявленням струменів, що матеріалізують як кварки, так і «одягнуті» глюони. Проте від подібного приладу можна було очікувати і на інші несподіванки.

Великий — без перебільшення — внесок ЦЕРНу до 1980 р. ґрунтувався на, здавалось би, непоказному експерименті: бульбашковій камері «Ґарґамелла». Як указує вже сама назва⁴⁷, це була масивна камера, заповнена важкою рідиною — фреоном. Камера розташовувалася на шляху потоку нейтрино.

Взаємодіючи, електронний нейтрино породжує електрон, а мюонний — мюон. Під час цього акту нейтральна частинка — нейтрино — прямо пов’язана з зарядженою, себто електроном. Тоді говорять про зарядовий струм, і сила, що пов’язує частинки, передається через обмін зарядженою частинкою, існування якої тоді лише припускалося — W (так само в електромагнітній взаємодії відбувається обмін одним фотоном).

Одначе теорія передвіщала існування іншого типу взаємодії — нейтрального струму, в якому відбувається обмін на нейтральну частинку Z⁰. У ході такої реакції початковий нейтрино може втрачати енергію, проте після зіткнення він виникає знову. У такому випадку β-радіоактивність та всі відомі взаємодії нейтрино тлумачилися лише обміном W: що ж до обмінів Z⁰, то невже вони також існували в природі?

A priori «підпис» легко розпізнати: під час пошуків взаємодії нейтрино в детекторі, розташованому в потоці — як у Брукгейвені, — виникає запитання: чому серед частинок, які вилітають, немає ні електронів, ні мюонів? На практиці завжди легше підтвердити появу, ніж зникнення. У цьому випадку акт, у якому немає мюонів, міг би відповідати зарядженому струмові, з якого мюон виходить звичайно з невеликою кількістю енергії та, отже, невпізнанним.

Тож аналіз вимагав особливих зусиль — порівняння актів, що містили мюони, з тими, де мюонів не було, за допомоги обрахунків, що виводять коефіцієнт актів, де не може бути мюонів. Результат вразив усіх: виставленому критерієві відповідала третина актів. Ішлося не про слабеньку похибку — ймовірність взаємодії з нейтральним струмом була такою ж високою, як взаємодії з зарядженим струмом. Дилема полягала у факті існування експерименту з такою ж метою, що мав місце в Америці і давав то негативний, то позитивний результат. З’явилися жарти про альтернативні струми. Це підкреслювало складність висновків, проте спільний дослід на «Ґарґамеллі», що мав більш обнадійливі результати, завершився публікацією доказів існування нейтральних струмів.

«Це було перше значне відкриття ЦЕРНу. У липні 1973 р. група «Ґарґамелла» оголосила про виявлення слабких нейтральних струмів. Ця знахідка стала ключовою, адже відкрила шлях до нової фізики — фізики уніфікації слабкої та електромагнітної взаємодії. Згідно з цією теорією, на рівні надвисоких енергій, що панували після народження Всесвіту, електромагнітна та слабка сили з’єднались, а роз’єдналися лише тоді, коли Всесвіт охолонув»[13].

Що ж, два докази краще, ніж один — невдовзі з’явилася друга публікація, де описувався акт, отриманий у камері, в якому виступав один-єдиний енергетичний електрон. Це стало результатом пружної дифузії нейтрино мюонного типу на атомарний електрон, що міг походити лише з нейтрального струму. Усі погоджувалися, що цей експеримент мав усі шанси одержати Нобелівську премію, якби керівник команди Андре Лаґарріґ не помер від серцевого нападу в університетському містечку Орсе.

Ознайомлення з результатами, отриманими «Марком-1», виявило симетрію, що розподіляла частинки на сімейства. На той час уже було відомо про два повні сімейства, а τ-лептон відкрив третє. Потім, не відзначені Нобелівськими преміями, були відкриття b та t-кварків. Історія лише починалася, тож відкриття вимагали лише трохи більше зусиль. Приблизно знали і масу t-кварка, тож теорія стимулювала експерименти.

Після того, як замість хаосу розмаїття частинок повернувся лад, до роботи взялися теоретики. «Ґарґамелла» остаточно довела очевидність об’єднання електромагнітної та слабкої сил. Бракувало підтвердження існування проміжних бозонів слабкої взаємодії — W та Z. У цьому допоміг дослід UA1 (UA — підземна частина). Завдяки отриманим результатам було впорядковано Стандартну модель, а ЦЕРН нарешті взяв реванш. Звичайно, можна закинути, що винахід був логічним, адже маси бозонів були відомі заздалегідь. Що ж, час видовищної фізики добігав кінця, зріла доба заступила шаленство юності.

Аби утворити дуже масивні частинки на кшталт тих, знайти які прагнули, потрібно було багато енергії. Тодішні прискорювачі — у ЦЕРНі та «Фермілебі» біля Чикаго — дозволяли прискорювати протони лише за енергії в кількасот ГеВ, чого було більш ніж недостатньо для класичного досліду з бомбуванням цілі. Отут ЦЕРНові й знадобився досвід ISR у використанні протонних прискорювачів.

Було з успіхом випробувано новий задум — звести колайдер «протони проти антипротонів». Взоруючись на принцип «електрони проти позитронів», прилад потребував одного кільця, яке вже існувало; проте, на відміну від відносно легкого виробництва позитронів, виробництво антипротонів було вельми ускладнене, тож треба було прийняти виклик.

Довелося побудувати завод із виробництва антипротонів, аби збирати та приручати ці рідкісні частинки, збирати їх у потоки, достатньо тонкі, щоби скеровувати їх у вакуумну трубу прискорювача. Підґрунтя тут досить просте: протони високого рівня енергії бомбують матеріальну ціль і утворюють антипротони. Це дослід Берклі. Проблема в тому, що утворюється дуже мало частинок — для утворення одного-єдиного антипротона треба використати 10 тисяч протонів. У мішень скеровують цикли по 1011 протонів, але не всі антипротони випромінюються в обраному напрямку, тож їм треба якомога швидше відрізати шлях. До того ж, вони мають не однакову енергію, а прискорювати доводиться в рурі обмежених розмірів. Довелося вигадати «горловину», здатну збирати якомога більше антипротонів. Побудували спеціальний прилад. АА — антипротонний прискорювач був невеликим замкненим кільцем діаметром 50 м. Утім, «розминка» не завершилася, адже зібрані антипротони посідали різні енергії. Їх треба було «охолодити», тобто розібрати по енергетичних групах. Метод був віртуозний — він ґрунтувався на тому, що діаметр кола коротший за півобвід! Кожна група вивчалась у певній точці кільця, вимірювалась їхня дисперсія, після чого інформацію по кабелях надсилали на інший бік кільця. Дані надходили до проходження в тому місці певної групи, що дозволяло «зробити наводження», пригальмувавши антипротони, що летіли на чолі групи, та прискоривши частинки у хвості групи, які мали наздогнати «своїх». «Стохастичне охолодження» виявилося вельми вдалим, проте сама операція була дуже складною, вимагала повного дня роботи, щоби забезпечити головний прискорювач достатньо густими групами, як, зрештою, прискорювалися до рівня 270 ГеВ. На щастя, вакуум у кільці дозволяв потокам існувати по кілька днів.

Таким чином отримували зіткнення протонів з антипротонами з небаченим тоді рівнем енергії 270 ГеВ на кожен пучок. Це давало зіткненню достатньо енергії для утворення дуже важких об’єктів. Залишалося сконструювати детектор, здатний виявити ці об’єкти.

На відміну від своїх суперників, детектор UA1 використав радше соленоїдну, ніж двополюсну структуру — так само, як і «Марк-1». Аргумент полягав у можливості вивчати частинки, випущені вперед під невеличким кутом при тому, що в соленоїдній структурі відсутнє магнітне поле. Внутрішня довжина магніту складала 7 м, а поперечна ширина — 3 м. Його було напхано різнобічними детекторами, зокрема низкою пропорційних камер.

У грудні 1983 р. у великому амфітеатрі ЦЕРНу оголосили про відкриття W. Аби зібрати кілька W-частинок серед мільйонів малоцікавих актів, фізикам знадобилася неабияка майстерність. Скажімо, W масою у 83 ГеВ/с² розпадається на один електрон і один мюон у супроводі одного нейтрино. Нейтрино, як завжди, зникає, проте напрямок його «втечі» та енергію можна визначити за повною інформацією про акт. Таким був основний метод вимірювання невидимого у визначенні сигналу. Відомості про Z з’явилися лише за кілька місяців. Ця більш масивна — 90 ГеВ/с² — частинка утворювалась у 10 разів активніше, а виявити її слід було набагато легше, адже вона розпадалася на два заряджених лептони.

У 1984 р. фізик Карло Руббіа та інженер Сімон ван дер Меер — він стояв біля витоків охолодження антипротонів — одержали Нобелівську премію за «значний внесок у великий проект, що привів до відкриття частинок W та Z — вістунів слабкої взаємодії».

Отже, ЦЕРН отримав свою премію і з європейського перетворився на світовий центр, де фізики з усіх країн, представники різних культур зійшлися на одному — жазі дослідження навколишнього світу.

Прислів’я, популярне серед фізиків частинок, стверджує, що відкриття здійснюються протонними приладами, а найточніші заміри — електронними.

У 1989 р., в ейфорії після відкриття W та Z, у ЦЕРНі ввели в дію колайдер LEP (Великий електронно-позитронний колайдер). Після нетривалого переходу, позначеного методом адронних колайдерів, повернулися до електронно-позитронних анігіляцій. Мета була зрозуміла: напрацювати велику кількість Z⁰, щоб якнайкраще дослідити властивості. Знаючи масу цього об’єкта — близько 90 ГеВ/с², достатньо було спорудити прилад, здатний досягати рівня 50 ГеВ на кожен потік, і примусити до взаємодії електрони енергією 50 ГеВ з такими ж позитронами. Звели уставу для отримання Z⁰: завдання LEP полягало в якнайточнішому вивченні властивостей частинки-посередниці у слабкій взаємодії задля створення підґрунтя для базової Стандартної моделі. Як і експеримент із магнетизмом мюонів, що з дивовижною точністю перевірив електромагнітну теорію, LEP мав перевірити слабку взаємодію. Деякі фізики сподівалися відтрутити модель, зламати її та подивитися, що ж далі. Але LEP підвів під Стандартну модель солідну базу.

Технічна проблема полягала у властивості електронів (або позитронів), що мають невелику масу, випромінювати — а отже, втрачати — енергію. Протони ж, наприклад, мудро зберігають енергію, описуючи кола у приладі. Поступова втрата енергії то сильніша, що більша кривина приладу. Отже, вирішили побудувати кільце з якомога більшим радіусом.

Прискорювач зібрали в тунелі обводом 27 км на глибині 100 м методом, що використовується в будівництві метро. У чотирьох точках кільця вздовж обводу було поставлено чотири великі експерименти. У фізиці частинок звичайно поєднують кілька дослідів на одну тему, аби порівняти результати і мати більше свободи під час аналізу. Десятиріччями ці аргументи виправдовували суперництво по два боки Атлантики, а до того протонно-антипротонний колайдер ЦЕРНу наслідували два експерименти UA1 і UA2. Нащо проводити одразу чотири досліди? Можливо, справа у зацікавленості багатьох вчених: LEP дав роботу близько двом тисячам фізиків, за кожною програмою співпраці стояло до 500 науковців. З таким штатом, що вказував на неминучу інфляцію досвіду, впродовж десятиліть щастило побудувати амбітні моделі детекторів.

Збирання даних почалося 1989 р., і перший же результат — можливо, найважливіший результат упродовж усієї роботи LEP — було витлумачено за якихось кілька годин: існують лише три сімейства елементарних складників. Цей результат було одержано на самому початку збирання даних, слідуючи за тим, що дістало назву кривої збудження Z⁰. Енергія пучків поступово змінюється таким чином, щоби дослідити область Z⁰ і визначити ширину кривої, яка її характеризує.

Z⁰ взаємодіє з усіма елементарними складниками, які утворює у парах частинка-античастинка. Таким чином можна утворювати акти від u-анти-u та е-анти-е. Кожне сімейство має своє нейтрино, тож очікують на відкриття каналів ν-анти-ν, причому кожен «присмак» нейтрино представлений доволі демократично.

Усі заряджені складники, здатні брати участь у розпаді Z⁰, були відомі. Натомість ніхто не знав про кількість різновидів нейтрино. А крім того, є й «присмаки» нейтрино, і можливі канали розпаду. Це вело до коротшого життя, а отже, де ширшої кривини. Величезна кількість різноманітних нейтрино надавала кривій доволі пласкої форми. Ширина кривої точно вказує на кількість різновидів нейтрино, що існують у Всесвіті. Результат — незаперечний. Ширина у 2,7 ГеВ вказує на існування лише трьох нейтрино.

Хоч основний результат було одержано в перший же день роботи, прилад іще з десяток років продовжував збирати дані, накопичивши кілька мільйонів зразків Z⁰. Було здійснено низку вельми точних обрахунків. Під усіма можливими кутами зору досліджували всі більш або менш рідкісні типи розпаду, шукали нові частинки, передбачені більш або менш переконливими моделями, вивчали розподіл виявлених частинок за енергією та напрямком. Нині Z⁰ — одна з найбільш вивчених частинок у цьому «звіринці», і досі не виявлено жодної аномалії: перевірено найглибші закутки Стандартної моделі.

LEP зазнав другої робочої фази, коли його енергію було збільшено до 100 ГеВ на потік — таким чином утворювалися пари W+ W-. Умови роботи ускладнилися, поталанило зафіксувати лише кілька тисяч пар. Проте Стандартна модель і тут здобула перемогу.

У результаті дванадцятирічної праці — не рахуючи десяти років, присвячених розбудові колайдера — фізики відтворили будову відомої матерії за допомоги 12 елементарних складників. У таблиці їх розподілено по трьох сімействах. Кожне містить два об’єкти типу лептон, один об’єкт із зарядом -1 (у першому сімействі це електрон), один електрично нейтральний об’єкт, нейтрино і два кварки — один зарядом +2/3 (u-кварк у першому сімействі), другий зарядом -1/3 (d-кварк у першому сімействі). Кожен складник має спін ½ і належить до родини ферміонів. Список треба продублювати, враховуючи антипартнерів з такими ж властивостями, але протилежними зарядами.

Отже, матерія складається з цієї купки елементарних частинок. Протон, скажімо, містить два u-кварки та один d-кварк. Перше сімейство дозволяє збагнути всю матерію, що утворює світ, звичний для нас — і твердь земну, і небеса. Два інші мають ту саму структуру з лептонів і кварків, але з переходом з одного сімейства до наступного складники важчають. Додаткові об’єкти утворюються побіжно, їх виявляють або в космічному випромінюванні, або під час експериментів у прискорювачі.

Чому аж три сімейства, якщо для відтворення звичайної матерії достатньо й одного? Відповіді на це запитання іще не знайдено, проте, щоби пояснити порушення ЗП, про яке йшлося вище, необхідні всі три сімейства. Порушення сприймається як фаза у сполученні різних об’єктів, і така фаза стає можливою лише за наявності трьох сімейств. Порушення ЗП — один зі складників, що дозволяють збагнути зникнення антиматерії під час еволюції Всесвіту. Отже, без трьох сімейств Всесвіт мав би однакову кількість матерії та антиматерії, що завадило би появі людей.

Взаємодії між складниками розуміються як обмін агентами, що переносять силу. Ці нові об’єкти також вказано у таблиці. Їх назвали бозонами, бо вони посідають один-єдиний спін: 8 g-глюонів склеюють кварки всередині адронів, γ-фотони пояснюють електромагнітні взаємодії (так само як і світло), бозони W^± та Z⁰ відповідають за слабкі взаємодії, зокрема у деяких радіоактивних розпадах. W^± і Z⁰, на відміну від фотонів і глюонів, дуже масивні, що пояснює невеликий радіус дії сил, за які вони відповідають. Відкриття W^± та Z⁰-бозонів у ЦЕРНі 1983 р. позначило вершину впливу Стандартної моделі, яка точно передбачила їхні маси.

У сумі ферміонів, з яких складається матерія, дванадцять. До цього треба додати дванадцять антиферміонів, а щоб зрозуміти всі три головні взаємодії між складниками, потрібні дванадцять бозонів.

У 1960-х роках панувала Стандартна модель складників. Її коріння сягає рівнянь Джеймса Максвелла. А елементарні об’єкти та фундаментальні взаємодії, в яких вони беруть участь, описує теорія відносності.

Як показали результати LEP, Стандартна модель з неймовірною точністю бере до уваги всі експериментальні спостереження у світі надмалого, накопичені на сьогодні. Було проведено безліч перевірок — щоразу з надією відшукати помилку. Усі тести пройшли успішно, не було виявлено жодної похибки. Іноді експериментатори квапилися з оголошенням результатів. Проте щоразу, після нетривалих вагань наукової спільноти, урочисто виголошувалося звичне: «Результат повністю відповідає Стандартній моделі». Щоправда, нещодавно довелося ввести кілька нових параметрів для мас нейтрино, які раніше вважалися невагомими. Але до цього ми ще повернемося.

Головна перевага Стандартної моделі — рівень елементарності, якого пощастило досягнути завдяки відкриттю кварків і лептонів, а головний об’єднуючий принцип — незмінність об’єму, згідно з яким фундаментальні взаємодії випливають із незмінності в операціях симетрії, що залежать від просторово-часової точки, в якій їх застосовано. Виникла загроза нової перешкоди: кварки з’являються у трьох різних формах. Кожен має свій «колір» — це допомагає вирішувати деякі проблеми у статистиці, які трапляються за складання елементарних частинок, а також за вимірювання ефективного перерізу ексклюзивних процесів.

Модель ґрунтується на багатьох компонентах. Передусім вона спирається на сукупність елементарних складників, розподілених на три сімейства — їхні характеристики визначено експериментальним способом впродовж останніх десятиріч. Точні обрахунки на колайдері LEP стали кульмінацією пошуків, довівши когерентність теорії на рівні 10-18 м, відповідно до розмірів частинок.

Враховуючи ці результати, на сучасному рівні елементарності відкрито все. Це дивним чином нагадує пророцтво лорда Кельвіна⁴⁸ — буцімто наприкінці ХІХ ст. фізику вже було вичерпано! LEP поклав край пошукам нових елементарних об’єктів, подібних до вже досліджених. Але це не означає, що заперечувалося будь-яке дослідження в цьому напрямку! Міг існувати і вищий рівень елементарності, який об’єднував би, скажімо, кварки й лептони. Звісно, сучасні дослідники прямують не цим широким трактом, проте одного дня вони повернуться до альтернативного напрямку.

Останній компонент Стандартної моделі відомий під назвою «спонтанний розрив слабкої електромагнітної системи». До нього ми ще повернемося — це явище пов’язане з уже оголошеним майбутнім відкриттям нової частинки зі спіном 0, яку називають скалярною — бозона Гіґґза.

Сага про дослідження нейтрино — це історія, що тягнеться паралельно з історіями інших частинок. Проте у жменьці елементарних складників нейтрино посідають чільне місце — це один із компонентів, необхідних для розуміння феноменології частинок і, як наслідок, еволюції Всесвіту. Нині нейтрино цікавиться невеличка затята група, далека від більшості вчених. Ці марґінали збираються на власні конференції. Певною мірою на це впливає зачарування незвичною частинкою, яка приховує ще чимало несподіванок. Винаходили її відчайдушно, експериментально виявляли карколомно, друге нейтрино відкрили випадково, та й перші щілини у Стандартній моделі з’явилися саме в цьому місці.

Ми намагаємося розповісти про технологічні звитяги, на які довелося піти заради прогресу. Тому необхідно описати архетип детекторів нейтрино: японський прилад «СуперКаміоканде». Він посідає окреме місце в шерезі пристроїв, що позначили розвиток фізики частинок.

Під суто технічним кутом зору цей прилад не є революційно новим. Унікальні його розміри. Ми вже писали про складність виявлення нейтрино. Нейтрино середньої енергії може перетнути Землю, не залишивши ані найменшого сліду: для нейтрино Земля — прозора. На щастя, не абсолютно прозора, проте ймовірність зупинити нейтрино, що летить із Сонця і перетинає Землю, складає один шанс на мільярд. Тож, аби збільшити шанси на значне накопичення актів, потрібна велика кількість нейтрино та обладнання якомога більших розмірів.

Детектор «СуперКаміоканде» — це резервуар величезних розмірів, наповнений очищеною водою. Його об’єм — 50 кілотонн — приблизно в сім разів більший за вагу Ейфелевої вежі. Це — циліндр заввишки 40 м і діаметром 40 м. Усередині можна звести п’ятнадцятиповерховий будинок. Поверхню циліндра вкривають «очі» — величезні рурки фотоелектронних помножувачів. У діаметрі вони сягають 40 см та виготовляються спеціально для цього експерименту. У сумі по всій поверхні детектора розташовано 11 тисяч фотоелектронних помножувачів.

Дослід приніс два надважливі результати.

Насамперед він підтвердив те, що впродовж більше ніж тридцяти років називали дефіцитом сонячних нейтрино. Щосекунди Сонце надсилає потік у 60 мільярдів нейтрино на кожен квадратний сантиметр земної поверхні. Це — нейтрино електронного типу, утворені у осередді Сонця. Однак упродовж довгого часу результати показували від третини до половини очікуваного обсягу потоку. Висунули теоретичну гіпотезу: нейтрино перетворюються, себто здатні спонтанно змінювати тип. Електронне нейтрино, утворене в осередді Сонця, під час подорожі від точки утворення до точки виявлення перетворюється на мюонний або тау-нейтрон. Авжеж, ішлося лише про припущення, проте дуже привабливе, адже воно було справедливе тільки для нейтрино з ненульовою масою. А здоровий глузд наполягав на тому, що нейтрино таки мають масу — так само, як інші частинки матерії. Проблема полягала в дуже низькому гаданому рівні маси — адже одразу після відкриття нейтрино, щоб пояснити радіоактивність, поставили обмеження в менше ніж одну тисячну від маси електрона.

Завдяки рясній статистиці — за кілька років спостережень було виявлено більше 10 тисяч актів, — «СуперКаміоканде» спромігся з’ясувати специфіку коливання та поставити точніше обмеження на масу. Коливання фіксує лише різницю між масами нейтрино, які беруть участь у процесі. Згодом один експеримент у Канаді, відомий під назвою SNO (Спостереження нейтрино у Садбері), завдяки мішені з важкої, а не звичайної води, зміг підтвердити явище взаємоперетворення, не лише виявивши зменшений потік електронних нейтрино, а й визначивши потоки нейтрино інших типів. Загальний потік нейтрино всіх трьох типів, як з’ясувалося, повністю відповідав теоретичним розрахункам утворення сонячних нейтрино. А експеримент у Японії, що дослідив нейтрино з великим діапазоном у ядерних реакторах, ще більше уточнив параметри коливання. Кінцевий результат можна тлумачити як зміну невеликої маси нейтрино другого типу — приблизно 9 меВ/с². Це повністю вписується у простий сценарій ієрархії трьох нейтрино.

Проте «СуперКаміоканде» на цьому не зупинився. Детектор не лише перевірив претворення сонячних нейтрино, а й засвідчив перетворення атмосферних нейтрино, підтверджених двома скромнішими експериментами. Перший проходив на «Каміоканде» — резервуарі на 1 кілотонну води, попередникові «СуперКаміоканде». Перші отримані результати не переконали наукової спільноти, тож задля визнання явища знадобилися точніші дані.

Атмосферичні нейтрино утворюються внаслідок бомбування первісними космічними променями — переважно протонами високих енергій — високих шарів атмосфери. Серед вторинних частинок, що утворюються, є мезони, які розпадаються так само, як і в жмуті нейтрино в прискорювачі. Одержані нейтрино — суміш двох типів, електронного і мюонного. Вони походять з усіх горизонтів, оскільки атмосфера вкриває більш або менш однаковою оболонкою всю земну поверхню.

Детектор «СуперКаміоканде» здатен розрізняти як взаємодії, викликані електронними нейтрино, так і взаємодії, викликані мюонними нейтрино. Та якщо, згідно з розрахунками, потік електронних нейтрино б’є в детектор в усіх напрямках, мюонні нейтрино демонструють механізм, унаслідок якого нейтрино, що перетинають Землю — проходячи її наскрізь між протилежними точками — нібито зникають. Тут також можна згадати явище перетворення: електронні нейтрино не перетворюються на відміну від мюонних в експериментальних умовах — тобто за енергії в середньому 1 ГеВ та на відстанях, тотожних діаметрові Землі, 13 тис. км. Згодом цей результат було підтверджено дослідом на прискорювачі, докладна інформація про пучок у якому дозволила провести складніший аналіз. Це не суперечить результатові, отриманому з сонячними нейтрино з набагато нижчою енергією — близько 10 МеВ — та з набагато більшою відстанню.

Отже, вимальовується переконлива схема фізики нейтрино — з трьома частинками з ненульовими масами, дві з яких (найбільші) нам відомі: 9 меВ/с² для мюонного та 50 меВ/с² для електронного нейтрино. Це — найпростіша схема, адже перетворення фіксують лише різницю між масами. Отже, нейтрино таки посідають масу — і цей висновок завершує тривалу дискусію, що розпочалася з відкриття першого нейтрино.

Стандартна модель ґрунтувалася на припущенні відсутності маси в нейтрино. Це спрощення пояснювали попередніми експериментальними результатами, нібито справедливими за нульової маси нейтрино. Отже, Стандартна модель виявилася неповною, і всіх це влаштовувало — отак легко заткнули першу тріщину. Нині масивні нейтрино стали невід’ємною частиною Стандартної моделі, навіть якщо таке рішення — не єдине. Масивні нейтрино потребують інших нейтральних об’єктів з великими масами — саме в цьому напрямку повинні відбуватися експерименти.

Знайдені маси здаються мізерними порівняно з масами інших частинок. Вага найтяжчого з-поміж трьох нейтрино складає лише одну мільйонну від ваги електрона або дві мільярдні від ваги протона. Одне нейтрино, якому пощастило не зникнути після Великого вибуху, набагато більше, ніж інших частинок матерії, тож у сукупності їхні надмалі маси тотожні загальній масі всіх зірок у всіх галактиках.

В основі детектора «СуперКаміоканде» лежить ефект Черенкова. Цей метод ґрунтується не на іонізації, як усі інші техніки, описані на сьогодні. Йдеться про послідовний ефект, що утворюється під час перетинання зарядженою частинкою прозорого середовища та її поширенням зі швидкістю, більшою за швидкість світла в такому середовищі. Швидкість світла у вакуумі — найвища швидкість, досягнути якої не може ніщо, крім частинок без маси, а на практиці — лише фотонів. Добре відомо, що ця швидкість дорівнює 300 тис. км/с. Проте в іншому середовищі швидкість світла набагато нижча. Скажімо, у воді вона дорівнює 220 тис. км/с, а енергетична частинка може з легкістю подолати і цю межу. Цей факт безпосередньо пов’язаний із заломленням — явищем, коли, приміром, заломлюється зображення весла у воді.

Нейтрино з достатньою енергією може звільнити електрон атома молекули води. Якщо електрон має енергію в кілька МеВ, то можна перевірити умови випромінювання Черенкова. У воді він утворить синюватий спалах уздовж конуса, що слідує траєкторії частинки. Це схоже на звуковий удар від надзвукового літака. Саме це світло буде відкрите у рурках фотоелектронних помножувачів.

У 1958 р. Нобелівською премією було відзначено Павла Олексійовича Черенкова — за відкриття цього ефекту, Іллю Михайловича Франка та Ігора Євгеновича Тамма — за його тлумачення. Доти за визначення мас нейтрино жодної Нобелівської премії не вручали, але премія 2002 р. увінчала і це досягнення. Реймонда Девіса Молодшого та Масатосі Косібу відзначили за «фіксацію космічних нейтрино». Косібу вшанували не лише за експеримент на «СуперКаміоканде», а й за давніший дослід на «Каміоканде», який мав великий шанс знову запрацювати — адже після вибуху наднової зірки линув потужний потік нейтрино.

Тепер усі учасники начебто на своїх місцях. Нам відомо про 12 елементарних складників і про їхніх партнерів у антисвіті, а також про бозони, що пояснюють їхні взаємодії. Залишається здійснити деякі додаткові обрахунки, аби вдосконалити знання якостей елементарних об’єктів, та деякі досліди вже намагаються уточнити значення важливих параметрів. Ідеться, передусім, про доповнення нашого бачення панівної моделі, яку ще ніколи не піддавали сумніву — навіть маси нейтрино швидко знайшли в ній своє місце — та відомої як Стандартна модель частинок.

Загальний висновок із виконаної роботи — дуже позитивний, проте модель має слабкі місця, що потребують глибших досліджень. Стандартну модель не можна сприймати як остаточну. Це лише приблизна схема низької енергії — набагато повнішої та складнішої теорії. Причини такого ґрунтуються не лише на теоретичних розрахунках, а й на експериментальних загадках, нещодавно виявлених астрофізиками.

Головна вада полягає, напевно, в тому, що забагато приблизних параметрів. Є 19 вільних значень, що поступово вводилися після кожного з відкриттів — це маси частинок, розкидані по широчезному спектру від 1 МеВ/с² до 175 ГеВ/с². Ці параметри варто було б уточнити. Модель не дає пояснення існуванню трьох поколінь складників — хіба необхідність вилучити можливість порушення ЗП. Вона не дозволяє зрозуміти досліджувані характеристики — заряд, масу і т. д. Стандартна модель справді пов’язує значення між собою. Завдяки цьому, відштовхуючись від отриманих результатів, передбачили існування с-кварка. Так само відкриття b-кварка привело до відкриття t-кварка, а частинка тау потребувала відповідника — нейтрино. Проте всі ці передбачення ґрунтувалися на уявленні про внутрішню когерентність. А хотілось би, щоб існувала теорія, яка передбачала б усі важливі параметри, відштовхуючись від серйозних принципів.

У цьому сенсі зрозуміло, що пояснення мас потребує нової частинки. Стандартна модель пропонує дієвий важіль: механізм Гіґґза, що обумовлює нову частинку — бозон Гіґґза⁴⁹. Він лежить в основі диференціації мас елементарних частинок і дозволяє уніфікувати, не змішуючи, взаємодії в річищі теорії електромагнітної та слабкої взаємодії. Феноменологію бозона Гіґґза вже розписано, вже відомо про ефективний переріз його продуктивності, про способи розпаду, проте є непевність щодо маси. Механізм Гіґґза ще не випробувано експериментально, він уже викликає заперечення як надто ad hoc (спеціалізований), щоби застосовуватися для уніфікації всіх головних взаємодій. Справді, механізм Гіґґза викликає потребу уточнення параметрів — це додало б йому правдоподібності.

До теорії не інтегровано сили тяжіння — це також велика лакуна. Порівняно з квантовим тлумаченням гравітації нинішня Стандартна модель — це регрес. Один із найбільших викликів, що стоять перед теперішнім поколінням учених, — примирити гравітацію з квантовою механікою. Одначе гравітація — це основна сила, що діє у Всесвіті, адже саме вона відповідає за астрофізичні явища. Це була перша сила, обрахована Ньютоном. Залишається концептуальна проблема когерентності — досі не існує наукових рамок, у яких гравітація могла би тлумачитися нарівні з іншими силами.

Уже вивчаються спроби уніфікації всіх взаємодій. З’являються гідні, але ще недостатньо передбачливі сценарії. Теорія схиляється в бік ідеї про струни. Елементарні складники вже не є точковими об’єктами — вони посідають просторовий об’єм. Усі вони могли би походити від одної струни, типи вібрації якої пояснювали б розмаїття частинок. Як наслідок, ця теорія передбачає існування величезної кількості Всесвітів, що активізує антропогенні версії творіння. «А Вам відомо, що Александр Великий розплакався, дізнавшись, що, на думку одного з філософів, світів незліченно багато?» А коли запитали, чому він плаче, то відповів: «Бо досі я завоював лише один»[14].

По цей бік грандіозних універсальних теорій, які шукають пояснення геть усьому, дослідницька робота триває. Що саме шукають? Насамперед, як ми вже наголошували, бракує головного складника — бозона Гіґґза, покликаного пояснити загадку мас частинок. Це — необхідна ланка для зміцнення всієї моделі. І її бракує так само, як на початку 1980-х років бракувало бозонів W та Z. Вже зібрано дані про вірогідну масу такої частинки, пропонують вилку між 114 та 160 ГеВ/с². З такою масою ускладнюється продуктивність. Аби щось відкрити, знову треба підвищити енергію під час зіткнення. Саме тому в ЦЕРНі взялися зводити новий колайдер — LHC (Великий адронний колайдер). Цього разу вдалися до зіткнень протонів із протонами за енергії досі небаченого рівня — 7 ТеВ на кожен потік. Тривалий час цей рівень вважатиметься рекордною енергією, якої досягнуто в приладі, зведеному людьми.

Колайдер зібрано в замкненому тунелі, що залишився від LEP. 27 кілометрів обводу приховують 1232 надпровідникові магніти, що працюють за температури 1,7 К — нижчої за температуру космосу. Деякі експерименти здійснюються з прямим переданням на потоки, що стикаються в кількох точках подвійного кільця на глибині 100 м.

Головне завдання LHC — пошуки бозона Гіґґза: існує один різновид чи потрібно декілька? Одначе надії фізиків на LHC — набагато більші: вони сподіваються відкрити ознаки надсиметрії — теорії, яка пов’язує бозони і ферміони в одну категорію об’єктів та ґрунтовно уніфікує наше бачення складників. Теоретики боготворять надсиметрію. Дослідникам нема чого вередувати, адже теорія передбачає подвоєння наявних частинок, а отже — вибух нових станів. Серед надсиметричних об’єктів сподіваються довести існування стабільної частинки, утвореної в мить Великого вибуху, яка пояснила би приховану масу Всесвіту — одну з найбільших загадок астрофізики, помічену завдяки ґравітаційному ефектові на рівні галактик.

Але, щоб перевірити ці припущення, потрібні були прилади рівня прискорювача. Один із них назвали іменем мітичного велетня — АТЛАС⁵⁰. Це — величезний детектор, розмірами майже з «СуперКаміоканде», проте замість звичайного резервуару з водою АТЛАС наповнений спеціалізованими детекторами, де кожна точка має конкретне спрямування. Споруда залежить від двох потужних магнітів-надпровідників — внутрішнього і зовнішнього, що має дуже незвичну форму тороїда.

Одна з найбільших проблем під час зіткнень у LHC полягає у виборі актів — носіїв потенційно нових сигналів. Адже потрібний стан — вельми рідкісний, на мільярд актів, які повторюють стару структуру, припадає лише один із новою. Отже, щоб відкинути надмірні дані з потоку, тотожному двадцяти одночасним телефонним розмовам кожного мешканця земної кулі, потрібні дуже точні детектори та дієві алгоритми.

Повний детектор є одночасно величезним і дуже складним. Він має зернисту структуру і складається з кількох спеціалізованих шарів. Завдовжки детектор не менше 40 м, діаметр — 25 м. Важить він 7 тонн, і кожну точку всередині цього гіганта треба знати з точністю до 10 мікрон. Спеціалізовані детектори нашаровуються починаючи з точки взаємодії. Спершу траєктограф відтворює сліди, відштовхуючись від схем і відстежуючи прохід заряджених частинок із точністю до 20 мікрон. Потім приходить черга двох калориметрів — спершу електромагнітного, згодом адронного. Нарешті, довкола діє система, здатна дуже точно фіксувати сліди мюонів.

АТЛАС зведено в гігантській підземній печері. Проект розпочався двадцять років тому. Після введення в дію він пропрацює принаймні десять років — дві тисячі фізиків вивчатимуть зібрані дані. Гігантизм, невтоленність — принципи фізики частинок нагадують правила зведення середньовічних соборів. Одне покоління вірян працює над кресленням, наступне — над самою будівлею, а третє вже користується спорудою, продовжуючи її прикрашати. Є чимало прикладів соборів, що так і не були завершені через занадто амбітний первісний задум: часом після кількох століть вагань фасад у стилі класицизму тиснуть до готичних хорів, а іноді соборові бракує цілої вежі. У фізиці, звісна річ, прилад має бути цілим від самого початку, інакше загадки не буде розкрито, але якщо порівнювати спільність зусиль, то процеси — дуже подібні.

Сьогодні ми бачимо деталі структури матерії у сто мільйонів разів ближче, ніж сто років тому. Отже, праця фізиків принесла свої плоди. Проте дехто ставить запитання, чи це «свято життя» справді добігло кінця? Фізики кинулися «святкувати» з неймовірним завзяттям — звичайно, кожному хочеться, аби «свято» тривало далі, проте насправді майбутнє лежить у тумані.

Великі надії покладаються на LHC. Саме його завдання відкрити частинку, яка виконуватиме функції бозона Гіґґза. Саме він повинен продовжити історію Стандартної моделі — і завершити її. Чи зможе новий прилад вказати напрямки розвитку нової фізики, що дозволить зробити стрибок уперед? Побачимо.

А поки там що, низка фізиків уже давно повернулися до спостережень за небом. Фізика частинок є спадкоємицею не тільки ядерної фізики, а й фізики космічного проміння. У 1990-х роках почалося зменшення кількості експериментів на прискорювачах, а наукові групи, навпаки, більшали, дехто звертав увагу на природне випромінювання, аби мати змогу здійснювати простіші експерименти. Так з’явилася галузь, що дістала назву фізики космічних променів або зоряних частинок. Це — оновлене дослідження частинок, що доходять до нас із невідомих космічних джерел. Мотивації досліджень різні: пошуки нових джерел високих енергій, вивчення поведінки частинок під час перетину величезних просторів, аналіз властивостей частинок, утворених в умовах енергії, що їх неможливо досягнути на Землі.

Фізика космічних променів шукає джерела частинок у небі, зірки, які випромінюють протони високих енергій, або нейтрино, а про гравітаційні хвилі годі й казати. Заявки на відкриття вже робилися, але не знайшли підтверджень. Повернення частини наукової спільноти до космічних променів збагатило галузь досвідом, отриманим на прискорювачах. Зокрема, фізики-емігранти застосували методи, вдосконалені в лабораторіях, і промислові технології для спорудження приладів, які змагалися в розмірах і, звичайно, в ціні з експериментами на прискорювачах.

Скажімо, обсерваторія ім. П’єра Оже в аргентинській пампі використовує близько 1600 станцій, які охоплюють ділянку у 3000 км2. Навіщо такі розміри? Бо тут також полюють на рідкісного звіра — сподіваються відкрити фізику нового стану. Вже виявили вірогідні протони енергією в кілька 1020 еВ, що у сто мільйонів разів більше за енергію протонів LHC. Але, якщо LHC необхідно живити сотнями мільярдів протонів, тут промені просто з неба щільністю в одну частинку на 1 км2 раз на століття. Тож 3000 км2 — необхідна ціна за надію збирати кількадесят зразків на рік.

Фізика частинок пов’язана і з космологією, яка вивчає всі аспекти існування Всесвіту. Вважається, що після Великого вибуху залишилися «викопні» об’єкти, що заповнюють простір. Останніми роками спостерігається запаморочливий розвиток космології, дещо подібний до розвитку фізики частинок у 1970-х роках. Космологія ставить фундаментальні запитання та вимагає чимраз різноманітніших експериментів. Космологія і фізика частинок мають чимало спільного. Досліджувати взаємодії протонів енергій на LHC означає дошукуватися до умов, що панували у Всесвіті через 10-10 с після Великого вибуху. Зіткнення в LHC відтворюють мікроскопічний Великий вибух, що дозволяє обійти проблеми астрофізики.

Всесвіт — ніби фабрика з виробництва частинок. На самому початку температура — тобто енергія тоді ще вільних складників — була величезною. Такі умови уможливили явища, які нині, через зниження енергій, стали неможливими. Зокрема, Всесвіт поставив перед нами дві загадки, збагнути які дуже складно: прихованої маси і темної енергії.

Іронія полягає в тому, що звичайна матерія, яку ось уже сто років роздивляються з усіх боків, складає лише невеличку частину сучасного Всесвіту. Вона утворює всі земні та небесні об’єкти, а також десять тисяч мільярдів мільярдів відомих нам зірок. Але все це — лише близько піввідсотка від загального обсягу Всесвіту. Звичайна матерія мала би пояснювати 4—5% маси Всесвіту, враховуючи великі хмари, виявити які нелегко, проте в яких регулярно формуються нові зірки. Навіть 5% — дуже мало. Нейтрино, враховуючи всі останні відкриття, складають також близько піввідсотка від маси.

Після ста років неймовірних зусиль нам досі незрозумілі 95% Всесвіту. Тепер заява лорда Кельвіна здається ще більш завчасною, ніж на початку вивчення частинок. Аби пояснити наше невігластво, варто залучити ще два невідомі складники.

Вже давно стоїть питання про приховану масу Всесвіту, що складає чверть від загальної маси. На рівні галактик — скажімо, нашої — вона являє себе у вигляді велетенських темних гало, які, втім, не випромінюють і лишаються невидимими. Зафіксувати їх можна лише завдяки гравітації. Явище гравітаційних лінз, нині доведене, підтверджує цю інформацію.

Найощадніша гіпотеза — присутність масивних частинок, які відчувають лише слабкі взаємодії (тобто на кшталт нейтрино, проте з масою, яка може у сто разів перевищувати масу протона). Шукають такі частинки приладами, розміщеними в підземних печерах в екстремальних надчутливих умовах; утім, поки що немає жодного результату.

Темна енергія — ще таємничіша. Нещодавно з’явилися експериментальні докази. Під час вивчення світла дуже віддалених наднових зірок складається враження, ніби Всесвіт потужно розширюється. Такий висновок вимагає присутності рідини, яка заповнювала би простір, але навіть теоретики не спромоглися стулити більш-менш правдоподібну модель.

Отже, є ще заділ у фундаментальній фізиці, але немає впевненості, що буде обрано найперспективніший напрямок удару.

Зацікавленість науковців, як вагадло, може повернутися до LHC. Справді, якщо тут знайдуть сліди надсиметричних частинок, буде доведено існування найлегшої в сімействі частинки, нейтральної, чутливої лише до слабких взаємодій — вона могла би заступити масу, якої бракує. Та це — не єдине припущення теоретиків. Деякі пов’язують темну енергію з нейтрино, а отже, тут також є що вивчати.

Так іще раз буде подолано межу енергій, яка постійно відсувається. Як на LHC, так і у фізиці космічних променів розпочинається нова дослідницька кампанія. Сподіваємося, що результати будуть гідні витрачених зусиль.

Розділ другий. Мрії та дійсність: теоретична фізика

На початку цієї книжки, згадуючи молоді роки, Жорж Шарпак зізнався, що в ті часи захоплювався математикою. Згодом на запитання: «Якби Ви були кимось іншим, ким Ви хотіли би стати?» — Франсуа Вануччі наводить ще одне дивовижне зізнання Шарпака: «Фізиком-теоретиком». Теоретиком? Генератором задумів, що грається з законами фізики, крутиться навколо, аби роздивитися з усіх кутів і надихнутися їхніми формами, мов скульптор — невже він обрав би це? Втім, очевидно, що вчений лише зізнався у великій любові до фізики, у прагненні природного ладу, що являє себе у законах. Бути іншим і водночас собою, слідувати за своєю пристрастю, але переживати її інакше, споглядати після активних дій або ж діяти після тривалого споглядання — в цьому полягає мрія людини, що усвідомлює плин часу і сумує за тим, що довелося лишити край шляху. Кожна сторінка несе відбиток діяльності, винахідництва, проте ці скромні вияви норову доводять, що він усвідомлює свою здатність бачити світ інакшим, не таким, до якого звик.

Я краще пізнав Шарпака, коли ми вдвох працювали над іншою книгою[15]. Складно одразу сказати, як розподілялись обов’язки, проте нам часто щастило доходити згоди, навіть відштовхуючись від протилежних позицій. Закони природи більшість уявляє ніби зачиненими в якомусь палаці, а він — видатний експериментатор — ніби бачив їх на стіні у вигляді довжелезних орнаментів-арабесок із рівнянь, прекрасніших за будь-який витвір живопису. Науку ми змальовували як дослідження позалюдського світу, неймовірно розлогого, що простягнувся як у далекі простори Всесвіту, так і всередині атомів — аж до частинок, атомів, світу, що вибухнув двома нескінченностями Паскаля⁵¹. Ми писали, що є люди, які вивчають ці дикі землі та звітують людству про свої відкриття, складають мапи. Позалюдський, надлюдський характер природи спонукає розум до споглядання — певно, саме цей поклик мав на увазі Шарпак, згадуючи про математику і теоретичну фізику ніби про обіцяний край. Можна сказати, що він згадує свого двійника, свою тінь — але тінь, позначену світлом; і саме про цей свій потяг він попросив згадати мене у книжці. Звичайно, зробити це майже неможливо, проте читачам не завадить зрозуміти, чого саме хотів він від цього розділу і що мав на увазі, заявляючи прямо: «Не можна мовчати, бо це прекрасно!»

Складно пояснити, чому закони природи, часто-густо приховані за щільними математичними запонами, — прекрасні. Наскільки мені відомо, за це досі не брався жоден поет, за винятком Жака Пеллетьє дю Манса (1517—1582)⁵². У вірші-зверненні «до тих, хто засуджує математику», він посилався на два великі Ліхтарі та Бурлак, що мають різні «аспекти» — тоді ці слова легко знаходили місце в поезії, а нині груба фізична термінологія стала на перешкоді подібних спроб. Фізичні терміни надто шорсткі та малозрозумілі. Ще можна, скажімо, зрозуміти, що вираз «квантова механіка» приховує найглибше коріння законів природи або, якщо хочете, їхній стрижень. Варто зізнатися, що священне дерево Іґґдрасиль зі скандинавської мітології, яке з’єднує твердь з небесами — значно доступніший образ. А як образно пояснити вислів «рівняння Шредінґера»⁵³? Хто здатен з самої назви зрозуміти, що йдеться про первісну та основну форму будь-якої еволюції, будь-якого руху, будь-яких змін будь-чого? Прорікаючи всюдисутність часу та його плин, Геракліт Ефеський⁵⁴ одягав думку запальними словами, що спонукали людей мріяти, а бідолашне рівняння на таку пристрасність, на жаль, не здатне. І при цьому Геракліта називали Темним, а з того, що відомо про його погляди нині, зрозуміло, що він мав на увазі більше, ніж розуміли тогочасні слухачі. Чи існує спосіб привабливого опису наукової думки? Чесно кажучи, я шкодую, що не присвятив часу збиранню вражаючих порівнянь у мітології та езотеризмі, що рясніють спокусливими образами і де слова міняться радше поетичними чеснотами, ніж справжнім сенсом. Чудовий вступ до будь-якої теорії можна знайти, скажімо, у кабалістів, яким здавалося, ніби вони збагнули таємні задуми Божі, розкодувавши розташування літер гебрейської абетки у тексті Тори — кожна літера позначала також певне число, що перетворювало текст на загадкове довжелезне рівняння. За часів Піко делла Мірандоли⁵⁵ кабалу змішували з ідеями Платона, а проте, нині ми знаємо набагато більше за нього, та ось слів нам бракує.

Гебрейська мова фізики — це математика, адже коли хочеш сформулювати закон, уникнути математики неможливо. Мова законів — суцільна математика, коли ж намагаєшся висловити їх інакше, звичайними словами, наражаєшся на брак, неприпустиму неоднозначність і розпливчастість. Насправді краса законів багато в чому залежить саме від математичної форми, адже вона дозволяє миттєво висловити гармонійність і лад, що панують у природі. Один із найбільших мислителів ХХ ст. Поль Дірак⁵⁶ полюбляв казати, що самої лише краси закону або хоча б одного з його складників достатньо для підтвердження істини. Звичайно, ця думка не заперечує того факту, що наукова істина ґрунтується передусім на експериментальних явищах, які, зокрема, дозволяють підтвердити або спростувати теорію або думку. Дірак мав на увазі, що Істинне завжди поруч із Прекрасним. І для нього це не було котроюсь метафізичною формулою на кшталт тверджень Платона, який ототожнював Прекрасне з Благом — радше фактом, що його можна констатувати, поглянувши на історію науки, або відчути, як це збагнули відкривачі на власному досвіді. Фізики вважають Дірака, — як і Айнштайна, — одним із найбільших естетів науки, і він, безперечно, з великим успіхом застосовував наведений вище принцип у всіх своїх працях.

Тож спробуймо й ми піти шляхом Дірака, аби краще збагнути, що саме він мав на увазі. Прикладів не бракує. Попередники Дірака наголошували на тісному зв’язку законів фізики і математики, а також на особливій гармонії їх поєднання. Можна процитувати Декарта, Ньютона, Ляйбніца, Ґаусса, Фурньє та інших, ближчих у часі до нас. А втім, великі експериментатори завжди стриманіші, навіть якщо подумки згодні. Більшість із них дотримувалася думки, що математика — це лише зручна мова, здатна робити висновки; ніщо не підтверджує цю думку краще за деякі знамениті праці Ампера й Фарадея та їхніх сучасників⁵⁷: математична форма законів, відкритих ними, виходила просто з фактів, ніби цілком очевидний та абсолютно чистий продукт досвіду. Для «La main à la pâte»⁵⁸ просто ідеально, тож ці праці можна було би радити нашим учням до прочитання, а досліди — до повторення. Отож, у першій половині ХІХ ст. вишуканість, експериментальність і формалізм математики ішли поруч.

Якщо повернутися до образу палацу Законів з вибагливим оздобленням стін, то можна уявити, що вхід до його історичного крила обступають зірки та планети. На одному зі штандартів — рядки Пеллетьє дю Манса, одначе господарі палацу не наважилися відтворити обрахунки, красу яких він оспівував, а обмежилися кількома геометричними фігурами. Пеллетьє було 26 років, коли з’явилася книжка Коперника, де Сонцеві призначалося місце в осередді світу⁵⁹, тож дорогá Діракові краса виявляла себе лише в простоті ідеї, а не в математичній формі. Зала Ампера і Фарадея має інакший вигляд. В око впадають схеми дослідів, а на додаток на штандартах — математичне резюме результатів, щось на кшталт шпаргалки. Для викладу основної думки слів іще достатньо, тож деякі курси фізики у тодішній Політехнічній школі, розгорнуті в нішах цієї зали на найцікавіших сторінках, демонструють нам текст, звісно, суттєвий, але вже з нечисленними математичними символами. Отже, абстракція ще не була такою явною, як сьогодні.

Усе змінюється, як заходимо до наступної зали, присвяченої Максвеллові (1831—1879)⁶⁰. Цього разу всю стіну вкрито рівняннями, які панують в електродинаміці, впорядковуючи поведінку тісно пов’язаних полів — електричного і магнітного. У першому ряду — рівняння, писані рукою самого Максвелла. Їх вісім, кожне містить принаймні чотири терміни та кілька умовних позначень, проте дорогá Діракові краса ще не така очевидна. Коментарі, залишені поруч на столах, переконують у неприємних наслідках цих рівнянь. Зокрема, йдеться про закон оптики, що пояснює світло як поєднання двох полів — електричного і магнітного, — що спільно коливаються, а також про радіо, телебачення, всі ті сигнали, які пронизують нині простір. Славетна «фея Електрика». Втім, усе це доволі конкретні, експериментальні та практичні речі. Де ж оте потаємне Прекрасне, яке тішить Дірака і виправдує Шарпакову мрію?

Можливо, його варто пошукати в рівняннях, записаних трохи нижче. Їх лише чотири, вони коротші, ніж перші вісім, і містять менше знаків. Наш провідник пояснює, що це ті самі «рівняння Максвелла», але записані у спосіб, який прояснює деякі властивості простору, де поширюються поля. У цьому просторі мають значення всі первні, і всі напрямки тут тотожні, що, безперечно, додає йому вишуканості. Нижче бачимо ще два рівняння, дуже лаконічні та майже однакові. «А це що таке?», — питаємо ми. «Ті самі формули, — відповідає супровідник, — але записані лише тоді, як з’ясувався тісний зв’язок законів Максвелла з теорією відносності Айнштайна. Компактна форма викликана тим, що закони електродинаміки лишаються незмінними, всюди і завжди, в будь-якій точці часопростору». Тоді ми починаємо розуміти, яке Прекрасне мав на увазі Дірак. Це, передовсім, формальна краса, своєрідна елегантність, подібна до вишуканості висловів Рівароля чи вогненних сплесків поезії Рембо⁶¹, але при цьому і значно більше. Це — втілення когерентності, порівну розподіленої між усіма законами, когерентності, що тут постає у вигляді глибинної гармонії законів електродинаміки з правилом симетрії відносності між простором і часом.

Між симетрією та красою існує тісний зв’язок. У декоративному мистецтві та архітектурі класицистичний стиль часто звертався до симетрій та ігор із перспективою. Деякі форми сучасного мистецтва використали дрібні тріщини в цих симетріях, аби створити враження неочікуваних змін, себто присутності життя. Але ще від часів зародження математичної науки симетрії — або, іншими словами, стабільність — були улюбленим напрямком досліджень учених. На думку Евкліда, пряма — це лінія, що «рівномірно тяжіє на всі свої точки», а коло і куля — бездоганні фігури, бо з усіх боків тотожні собі та ще й не заплямовані нескінченністю, як пряма. Саме тому траєкторії руху зірок були колами, вкладеними одне в одне. Симетрії, всюди і завжди симетрії — золотого перерізу та додавання сторін до прямокутника, а також упорядкованих твердих тіл Платона, які, як уважалося аж до Кеплера⁶², містять у собі лад світу Ідей та світу зірок. Завдяки математичній теорії груп, сформульованій 1830 р. Еварістом Ґалуа⁶³, з’явилося й загальноприйняте уявлення про симетрію; ця теорія вплинула на всі сучасні науки. Симетрія, група, вишуканість, гармонія, розумна простота — все це завжди є в комплексі. Так, Анрі Пуанкаре⁶⁴ відкрив більшу частину теорії відносності, досліджуючи, яка з груп, яка з симетрій мовчазно ховається за законами Максвелла. Розмаїття симетрій та когерентність законів.

Звичайно, є й протилежність гармонії. Найкраще її ілюструє відповідь, яку Гайнріх Герц (який експериментальним способом довів електромагнітну природу світла) дав слухачам, що запитали його, які фундаментальні принципи лежать в основі законів Максвелла. Він відповів приблизно так: «Окрім рівнянь, які втілюють ці закони, жодних принципів немає». Іншими словами, на певному ступені закони дуже далеко відходять від звичних слів і філософської думки. Їхні задуми та склад формалізуються, тобто на останній стадії пояснити їх можна лише мовою математики. Легендарна відповідь Герца датується не пізніше 1894 р. (це рік його смерті), а дві опори сучасних наукових законів — відносність і квантова механіка — з’явилися, відповідно, аж у 1905 та 1925—1926 рр., повністю підтвердивши твердження вченого. Адже ці дві фундаментальні теорії — всесвітнього вмістилища, що складається з часу і простору, та всесвітнього вмісту, складеного з частинок і променів — найформальніші з-поміж усіх. Можна ще раз повернутися до твердження Герца і зауважити, що нині існує простий принцип, з якого легко вивести рівняння Максвелла: світло складається з фотонів, частинок із нульовою масою та спіном 1. Це зауваження посідає почесне місце в Палаці Законів, утім, воно є дещо наївним, адже уявлення про нульову масу має сенс лише у зв’язку з теорією відносності, а уявлення про спін передбачає обізнаність у квантовій механіці. Отже, хоч би що ми робили, сучасна наука в самій своїй основі вкрай формалізувалась і вимагає змагання двох тісно пов’язаних команд: експериментаторів і теоретиків. Звідси й мрії про інший шлях, що їх плекає кожен член такої команди: одні прагнуть наблизитися до дійсності, інші — до суті, але для цього слід прожити стільки ж, скільки пощастило героєві п’єси Джорджа Бернарда Шоу «Повернення до Мафусаїла», де людське життя триває триста років⁶⁵. Одначе такі випадки, як відомо, вкрай рідкісні.

Найбільшим відкриттям початку ХХ ст. стало відкриття атома — універсального складника всього, що існує довкола нас. «Цибулину» матерії помалу-малу роздягали, дошукуючись численних рівнів сутності, за висловом класичної філософії. Сутність «атом» переділялася на дві тонші сутності — електрон і ядро. Так було у 1911 р. А в 1930-х роках з’ясувалося, що ядра складаються з двох елементарних сутностей або ж із двох різновидів частинок — протонів і нейтронів. У 1970—1980-х роках прийшли до створення Стандартної моделі, описаної Франсуа Вануччі в попередньому розділі; Стандартна модель містила кварки, лептони та вектори — частинки, які «перевозять» взаємодії (сильні, слабкі та електромагнітні). Дух захоплювало від цього занурення в саме серце матерії! Проте всі частинки — звичайні (скажімо, електрони, які «оживлюють» телевізор) або окультні (себто загадкові, практично недосяжні, на кшталт кварків) — лише піони у грандіозній фізичній грі. Без правил гри — тобто без законів — вони безпорадні. Перефразовуючи відомий шкільний вислів, можна сказати, що досвід, подібно до Жана Расіна, вказує на реальну сутність, а теорія, достоту П’єр Корнель, показує, якою ця сутність могла би бути⁶⁶.

Про результати теоретичних досліджень розповісти складніше, ніж про практичний експеримент — останній на перший погляд простий: «цеглини», нашарування «цеглин», що сходинками спускаються від атома до ядер, а далі до протонів і кварків, начебто нічого складного. Проте опис теорії — справді «корнелівська» проблема, адже там усе проходить через надскладні математичні формули, що їх ми не будемо переказувати тут. Хоча саме в них міститься Прекрасне. Що ж робити? На щастя, для переказування дуже складного або серйозного сюжету є дуже просте випробуване старе рішення — міт, казка, що дозволяє сказати все, закликавши уяву. Що ж, так і зробімо. Образ запозичмо у Рене Домаля (1908—1944) — письменника, який змалював свій внутрішній шлях у вигляді сходження на крутий схил «гори Аналог»⁶⁷; сходження, яке в нашому випадку приведе до квантових законів і Стандартної моделі та не відхилятиметься від історії науки.

Назва гори — Аналог — пояснюється відстанню, що її сучасна фізика встановила між конкретною дійсністю і законами. Експериментальна фізика дозволяє отримати однозначні числові дані, одначе лише за допомоги апаратів, розміри і складність яких прямо залежать від того, щó саме вивчається. З одного боку, маємо атом або щось менше за атом, з іншого — розумну машину, напхану надсучасним обладнанням: це ніби роздивлятися горобця з носу велетенського літака. Результат, звісна річ, точно визначено, але він украй незначний, і, зрештою, експериментальне спостереження що далі, то дає нам менше. Доводиться повертатися до теорії відновлення загальної картини, проте робота для цього потрібна колосальна. Треба не лише поєднати дві незрівнянні величини — горобця-атом і літак-апарат, — а й повністю перейти до світу, де немає нічого знайомого, до світу квантів, де інтуїція зраджує нас, а слова не здатні передати послання. Це — інший світ, світ ієрогліфів, переклад яких звичайними словами скидається на абсурд. Саме тому ми обираємо Аналог — адже цей образ допомагає переказати світобудову під кутом зору квантової теорії у формі міту, не вдаючись до математичних структур.

Екскурсія до світу квантових законів починається у 1900—1913 рр. Тоді ніхто не сумнівався у класичній фізиці, яка, за словами лорда Кельвіна, завершилася. Її уявляли як щось пласке, викладене товстими плитами — шлях, який дозволяв безперешкодно дістатися гори Аналог, загубленої в туманах. Уважалося, що атом теж повинен підкоритися класичним законам, а ми додали би до них кілька уточнень відповідно до його розмірів. Спершу на те вийшло. Успішно побудували дві паралельні фізичні системи. Перед очима був приклад вібратора — «гармонійного осцилятора», що його можна було знайти у вібраціях світла або кристала. Був і атом водню, що його можна було представити як мікроскопічну планетну систему, де замість сонця — ядро, замість планети — електрон, а сила електричного притягнення заступала гравітацію. Наслідки, що їх можна було порівняти дослідним способом, були досить переконливі, тож шлях тоді торували такі провідники, як Макс Планк, Айнштайн і Нільс Бор⁶⁸.

Ми вже знаємо, що було далі, тож цей початок нас ошелешує. Ми знаємо, що насправді класичну фізику — щось сприймане як пласке — від квантових мурів гори Аналог відділяє справжня прірва, до якої ми ще повернемось. Перейти цю безодню можна лише двома містками, де її краї — класичний і квантовий — зближаються, мов ключ і замкова щілина. Без цієї особливості, без цього шансу, досі належно не оціненого, довелось би століттями блукати, так і не наблизившись до схилів гори Аналог, пізнавши лише кілька відблисків світу квантів. Тут варто процитувати Айнштайна, який полюбляв вражаючі формулювання: «Бог вигадливий, але не злий». Іншими словами, Бог — або сама природа — прокладає нечисленні містки для невпевнених кроків шукачів його законів.

Між 1913 і 1925 роками сходження не зазнало різких змін, принаймні те, що ми бачимо, нічого не змінило. Науковці дибали традиційним шляхом, і якщо й з’являвся якийсь прогрес, то заводив у глухий кут. Аж раптом Бор запропонував інший, сміливий шлях: відмовитися від упевненості класичного схилу та рушити стежками крізь цілковито невідомі місця. Айнштайн невдоволено супиться, спершу не наважуючись відмовитися від традиційних переконань, омитих властивою йому реалістичною філософією. Проте вперед кидаються молодші вчені. Запам’яталися імена двох перших сміливців — Вернер Гайзенберґ⁶⁹ та Ервін Шредінґер, — які відкрили два близькі шляхи: перший 1925 р., а другий — 1926 р. За два роки постав цілком новий світ — світ нечуваних, химерних квантових законів, і досі всі дослідження доводять лише їхню нездоланну загадковість. Частково туманний квантовий пейзаж вияснюється, та лише для тих, хто звикся з його висотами, проте й вони досі не в змозі заповнити кілька лакун.

У 1927 р. почалося дослідження навколишніх полонин, до яких вели щойно відкриті стежки. Поле застосування виявилося величезним: підґрунтя атомної фізики і хімії об’єдналися, і все, що досі ревно оберігало свої таємниці — провідність, властивості ізолюючих речовин, магнетизм, твердість, — склало зброю. Насправді список дуже довгий і містить усе, що нині називають «новітніми технологіями». Звісно, Рабле чи Реймон Кено⁷⁰ склали би значно сенсаційніші списки, але ми тут не для того, щоби хвалитися, — ми прямуємо до головного піку, що височіє над родючими зонами.

Його можна було би назвати «піком Див» — проте в казках на охороні див стоять небезпечні створіння. Дракони, озера, повні фей, болота забуття, провалля, в’язниці, сповнені помилок, домовини ідей, що до життя непридатні — словом, усе, що із зародку світу опирається пошукам Граалю, хоч би яким він був. Нижче перерахуємо лише кілька.

В індійському епосі «Магабгарата» боги насолоджуються виступом апсар — богорівних танцівниць, гнучких, мов полум’я. Коли одна з них перекидається на статую, стає помітно, що її форми — вічні, себто напрочуд різноманітні. Робота хвилі подібна до апсари — вона невловима, бо записана вигаданими числами, та рухлива, адже коливається, мов синє світло в основі пломінця; вона витанцьовує невблаганним рівнянням — славетним рівнянням Шредінґера.

Звичні фізичні величини — суворі межові стовпи, що визначали напрямки класичної фізики Кельвіна: енергія, розташування об’єкта, швидкість, сила, що діє на нього, прагнення до обертання, назване спіном, — також подібні до апсар. Деякі теоретики зображали сукупність цих величин у вигляді велетенських прямокутників, укритих цифрами — матриць; інші втілювали їх у математичні механізми — змішувачі хвильових функцій, названі операторами. Такий оператор приймає одну хвильову функцію та утворює з неї іншу, у більшості випадків протилежну; незрозуміло, що пов’язує оператора з таблицею з цифр і реальними фізичними величинами, хоча прискіпливий розгляд цієї теорії доводить незаперечність такого методу.

Ми розглянемо не найбільш абстрактні риси концепцій, а тривожну незвичність цих ідей, яка лише підкреслює їхню глибину. Вони змінили обличчя науки, що впродовж багатьох століть намагалася бути розсудливою, вивершуючись, мов дивний самородок — наполовину ніжна цнотливиця, наполовину похмура дуенья. Відкриття квантових законів збурило науку, адже вони суперечили здоровому глуздові. Вони не стали логічним вивершенням раціональної конструкції як ті, що їх Ньютон, Ампер і Фарадей виснували з експерименту та дбайливо очистили — ні, вони скидалися радше на наслідки відчайдушної втечі до пливких берегів, коли все, що здавалося розумним, зазнало краху. Згодом теоретики не раз за звичкою жартували, що надто раціональна думка щонайпевніше є хибною, бо вона недостатньо божевільна, щоби накинути себе. Нас оточують справжні дивовижі: негативні енергії рівняння Дірака, кварки, що ділять електричні заряди на три групи та вдягнені у три різні кольори, бозон Гіґґза, що виникає в будь-якій точці та ділиться масою з іншими частинками, ніби підживлює їх. Нині нам відомо, що нейтрино, перетворюючись десь між Землею та Сонцем, змінюють ідентичність, що невловима темна матерія справді існує, що частинки перетворюються на струни, коли часопростір замикається в окультних розмірах лише для того, щоби загальна теорія відносності відповідала квантовим законам — скільки ще вражаючих ідей чекають на нас і на своє підтвердження!

Часом це справді неймовірні ідеї. Іноді вони навіть частково підтверджують відомий вислів святого Августина «Я вірю в те, що є абсурдом»⁷¹ — проте не «тому, що це абсурд», непідвладний мудрості людей. Навпаки, причина в тому, що абсурд лише на перший погляд здається абсурдом, приховуючи насправді глибинну гармонію, яка цілком відповідає природному ладові, що його людина лише вчиться пізнавати.

За приклад візьму вже згадане рівняння Шредінґера. Його визначають як закон, що керує рухом речей, хоча насправді це лише трохи дивна формула, вигадана для пояснення руху хвильових функцій. Авжеж, саме вигадана, а не виведена завдяки інтуїції або досліду. До того ж вона спирається на інше припущення — хвильову функцію, також не виведену в результаті експерименту[16].

Річард Фейнман⁷² — можливо, найбільший теоретик другої половини ХХ ст. — дав цим концепціям глибоке тлумачення, яке ми перекажемо в загальних рисах. Уявімо атом водню як простий об’єкт. Він має ядро — протон, яке задля зручності вважатимемо нерухомим. Окрім ядра, є лише один електрон, тобто частинка з маленькою масою та негативним зарядом, здатна відчувати притягнення позитивно зарядженим протоном. Коли 1911 р. Ернест Резерфорд відкрив відносно просту структуру водню, то одразу зметикував, що вона тотожна планетній системі, де протон грає роль Сонця, а електрон — єдиної планети. Оскільки електрична сила між двома зарядами дуже нагадує силу тяжіння між двома тілами, здавалося очевидним, що електрон мусить підкоритися законам класичної динаміки та рухатися еліптичною траєкторією. А й справді, що може бути простішим! І водночас — немає нічого більш хибного.

Пройдімося основними етапами: Нільс Бор «квантифікував» еліптичні траєкторії електрона в 1913 р. Спершу був успіх, потім — гірке розчарування, згодом, 1923 р., Луї де Бролі висунув ідею про існування хвильової функції, а 1926 р. Шредінґер сформулював її. Авжеж, поява рівняння мала грандіозні наслідки, повністю відповідаючи результатам експериментів, проте що означала ця формула? Лише 1948 р. Фейнман нарешті запропонував щось таке, що дало нам уявлення про рівняння і пролило нове світло на багатства, закладені у водні. Уявімо, що певної миті електрон займає певну позицію і починає рухатися. Слід визнати, що цей рух має мало спільного зі спокійним еліптичним пересуванням — навпаки, він вільний, не знає ні правил, ні перешкод. Електрон гасає, підлітає до ядра, відлітає, зупиняється, знову рушає — ніби вивчає всі можливі напрямки руху. Тож варіанти є різні: можна припустити, що лише одна траєкторія є справжньою, а всі інші — лише віртуальні. Але всі вони присутні одночасно, тож основа квантових законів зненацька постає як сполучення всіх можливих варіантів, досліджених разом і одночасно, й абсолютно вільно.

Встановлення панування теорії відносності та квантової механіки — двох підпор сучасної фізики та найважливіших відкриттів ХХ ст. — відбувалося не без проблем. Не забарилися критики і злостивці, валом повалили спростування, часом дуже їдкі, та пасквілі — нині все це припадає пилом у бібліотеках. Критикували навіть видатні вчені, — скажімо, Ніцше заявив, буцімто жоден серйозний науковець не вірить в існування атомів, лише за кілька років до того, як експерименти Жана Перрена довели існування частинок⁷³, а Берґсон вірив, буцім йому поталанило проаналізувати і спростувати Айнштайнові міркування про час. Це вже не кажучи про нападки на «юдейську науку» та ядучі памфлети традиційників, які захищали «справжню науку» від шарлатанів. Деякі статті тішили слух — як, скажімо, передмови до трактатів Жоржа Буасса, фізика-поліглота і переконаного традиціоналіста⁷⁴. Він мав неабиякий хист до суперечок і з легкістю розкодовував будь-які ідеї, не зачіпаючи при цьому живих людей. Марно в СРСР адепти діалектичного матеріалізму доводили безглуздість квантів, що нібито заперечували існування водночас і матерії, і діалектики.

Сьогодні весь цей лемент ущух, наука знову піднялася на п’єдестал. Критики втомилися програвати, а здоровий глузд утратив надію бути почутим. Тож треба віддати належне Річардові Фейнману, який наважився заявити, що король таки голий і «насправді ніхто не розуміє квантової механіки»[17], а потім спробував проаналізувати цю, щонайменше, дивну ситуацію.

Чому фізики вірять у свою науку? На те є чимало причин, і перша — це дослід. Дослідники-практики — найкращі захисники теорії, адже вони докладають значних зусиль для перевірки прогнозів; щоби розширити доказову базу та зменшити кількість похибок, вони знаходять і вдосконалюють дедалі потужніші й точніші знаряддя — доходить до узгодження різниці між прогнозом теорії та обрахунками практики до десяти цифр після коми! Нашарування даних і систематичне їх узгодження з теоретичними обрахунками мають незаперечний накопичувальний ефект, стійкий до будь-яких сумнівів. Вони безпосередньо впливають на наше життя — скажімо, кожен чув, що орієнтування за GPS не було би таким точним без урахування теорії відносності. Ту саму роль відіграє квантова механіка для роботи атомних годинників на супутниках та в багатьох інших випадках застосування. Тож навіть такий брутальний аргумент, як «це добре, бо воно працює», тут цілком на своєму місці.

Не менш загадковими є релятивістські та квантові концепції, але колись не меншою загадкою вважалися концепції електричного та магнітного полів, а також припущення, ніби вони можуть спільно коливатися. Можливо, є певний рівень абстракції, переступити через який складно, — і тут також внесок практиків складно перебільшити. Вже більше тридцяти років більшу частину своїх зусиль вони витрачають на виправдання квантових концепцій, примушуючи їх безпосередньо являти себе в ході експерименту. Вони спонукають фотон виявити себе, спін — продемонструвати свої виверти; стає зрозумілішою і проблема зліпленості хвильових функцій, себто нерозривність деяких функцій, які описують певні частинки як єдине ціле. Словом, прикладів не бракує. Без жодних сумнівів, не за горами той час, коли офіційно зареєстровані експерименти, що їх кожен може побачити в наукових музеях, примусять усіх змиритися з очевидністю квантових концепцій і погодитися: «Це істина, бо я це бачу».

Теоретиків уже давно переконав інший аргумент, який зачепив найтоншу струну — почуття прекрасного. Прекрасне постало у вигляді гармонії концепцій або ж, якщо хочете, їх когерентності. Коли йдеться, скажімо, про розмаїття напрямків руху електрона, то показати цю когерентність можна так: чітко прописати всі доповнення і проблеми, які виникали в ході історії електрона та впливали на хвильову функцію атома — і гоп! одним майстерним рухом виписується традиційне рівняння Шредінґера. Теорію нахиляють під іншим кутом, роздивляються в дещо іншому математичному світлі — і одразу проступають матриці, оператори — змішувачі хвильових функцій та їхні потужні математичні властивості; таке враження, ніби йдеться про чисту алгебру. Слідом за Діраком і математиком Нойманном можна в одному «математичному діаманті» об’єднати все, пов’язане з хвильовими функціями та фізичними величинами, утворивши складний необмежений векторний простір — простір Гільберта, де все замкнене всередині одного зблиску. Як сказав би Бодлер, «там розкіш, і спокій, і лад»⁷⁵. Але розкоші, спокій, втіху замінімо на безтурботність і гармонію. І це прекрасно, бо неминуче, і йдеться саме про внутрішню красу — стійку й прозору, мов діамант, про красу чисто математичну, що залишає враження, ніби коріння законів природи та математичних законів сплітаються десь глибоко під землею. «Це істинне, бо єдине. Істина в єдності».

Теоретики, які обожнюють абстрактну красу, радіють прихованим гармоніям. Годинами, місяцями, роками, життями можуть вони стежити за розвитком концепції, слідувати за нею лабіринтами фізики, мов за ручаєм, що стрімко метляє-цідиться між скель. Вони відчувають справжній екстаз. «Ти помітив, наскільки вишукана теорія груп? А ідея перенормування? Які можливості! Це ж справжня машина, що висвердлює безконечність! А наскільки гармонійний вигляд має теорія еталонів! Яка в ній симетрія — у кожній цятці часопростору! А потім усі ці симетрії поєднуються в єдину гармонію Стандартної моделі… [Зітхає.] Оце означення «стандартна»… Колего, Вам не здається, що занадто скромна назва лише підкреслює бездоганність моделі? Теоретики — подібно до парнасців, прихильників мистецтва заради мистецтва, — шкодують, що не можуть розділити свої радощі з профаном, не тому, що він не здатен зрозуміти приступне їм відчуття прекрасного, а тому, що його просто не можна посвячувати в таємниці. Подейкують, усвідомлення цього настільки гнітить їх, що вони зачиняються у своїх безлюдних клубах для обраних».

Але це лише жартівливий відступ, самоіронія, адже не варто лишати брудні сліди у священному храмі. Авжеж, теоретики рідко всміхаються, проте тягар, який вони змушені нести, — справжній скарб. Треба сказати, що ХХ ст. було добою одкровень, коли закони природи частково поступилися своїми таємницями людству. Можна навіть потвердити, що людський розум уперше свідомо поглянув на власну історію, визнавши, що залежить від еволюції видів. Замість поводитися, мов цар, розум збагнув, що його розвиток довгий час обмежував думку, тримаючи її на однаковій відстані від безмежності Всесвіту та нескінченності мікросвіту. Весь час розум було замкнено в людині — у надто людському, надто простому, і саме надлюдська наука примусила його переступити межу.

Певно, саме тому здоровий глузд побоюється нового світу, який щойно постав — часом здається, ніби треба перемуровувати самі підвалини думки. Варто було би розповісти про титанічні зусилля, докладені впродовж сімдесяти п’яти років до зміни підвалин знання — насамперед ідеться про фундаментальні закони, релятивістські та квантові — заради пошуків основ звичайного розуму та його виправдання, заради розуміння когерентності світу. Так, можна було би розповісти, як класичний детермінізм, тобто каузальність, така близька Аристотелеві й Канту, виявилася лише припущенням, окремим прикладом квантового випадку, коли звичайні події розглядаються у збільшених розмірах. Можна було би показати, як математична форма законів дозволяє подолати явні суперечності завдяки вищій гармонії та чому очевидні парадокси теорії насправді містяться не в ній, а в нас.

Що ж до мене, то я завжди віддавав перевагу думкам, висновки з яких проливали світло на підвалини знання, книжкам, перша фраза в яких логічно вістила подальшу, циклічним поемам та їхнім чітким і вишуканим приспівам — скажімо, класичній баладі або наполегливим повторам малайського пантуму⁷⁶. Напевно, саме в цьому перевага теоретика: здатність бачити когерентність законів, піддаючи власний розум випробуванню їхнім світлом[18]. Тож, Жорже, і ви, шановні читачі, ласкаво прошу до світу шукачів істини. Тут навіть найдрібніший з клерків радо вітатиме вас і сприятиме пізнанню секретів природи в садку, де без ліку стежок.