Розділ без назви (30)

Більшість високоенергетичних нейтрино в пучку взаємодія­тимуть із протонами в мішені, перетворюючись на мюони — важчих напарників електронів. Мюони виходитимуть із мішені, утворюючи довгий зарядженочастинковий трек аж до самого краю детектора. Протони перетворюватимуться на нейтрони, які самі по собі треків не утворюватимуть, проте стикатимуться з ядрами, породжуючи нетривалу зливу заряджених частинок, які залишать треки. Таким чином, експеримент було розроб­лено так, щоб зафіксувати мюонні треки й побічні зливи заряджених частинок, які виникатимуть як окремі сигнали тієї самої слабкої взаємодії.

Проте подеколи нейтрино взаємодіятиме з речовиною поза детектором, породжуючи нейтрон, який може відбитися назад у детектор і вступити у взаємодію там. Такі події складатимуться з однієї сильно взаємодійної зливи частинок, породжених зіткненням нейтрона, без супутнього мюонного треку.

Коли «Ґарґамелла» почала шукати події нейтрального струму, ці ізольовані зливи заряджених частинок без супутнього мюона стали просто сигналами, на яких мали зосередитися науковці. У рамках події нейтрального струму нейтрино, яке взаємодіє з нейтроном чи протоном у детекторі, не перетворюється на заряджений мюон, а просто відскакує та полишає детектор непоміченим. Спостережуваною буде лише віддача у вигляді ядерної зливи — така ж сигнатура, як у випадку більш звичних нейтринних взаємодій поза детектором, у яких зароджуються нейтрони, які відскакують назад у детектор та породжують ядерну зливу.

Таким чином, якщо завданням експерименту було впевнене засікання подій нейтрального струму, основною складністю було відрізнити події, спричинені нейтрино, від подій, спричинених нейтронами (ця сама проблема становила основ­ну складність для експериментаторів, які шукали які-небудь слабко взаємодійні частинки, зокрема гіпотетичні частинки темної матерії, які нині розшукують у підземних детекторах по всьому світу).

На початку 1973 року було зафіксовано одиночний зворотний електрон за відсутності в детекторі будь-яких інших зарядженочастинкових треків. Це могло бути наслідком передбачених більш рідкісних нейтральнострумових зіткнень між нейтрино й електронами замість протонів чи нейтронів. Проте зазвичай однієї події замало для впевненого ствердження про нове відкриття у фізиці елементарних частинок. Одначе це давало надію, і до березня 1973 року ретельний аналіз нейтронних задників та спостережуваних ізольованих злив частинок почав наводити на думку, що слабкі нейтральнострумові взає­модії справді існують. Хай там як, та лише станом на липень 1973 року дослідники з ЦЕРН виконали достатню кількість перевірок, щоб достатньо впевнено стверджувати про виявлення нейтральних струмів, що вони й зробили в серпні на конференції в Бонні.

Тут наша оповідь могла б добігти свого кінця, проте, на жаль, невдовзі після цього інша група науковців, яка шукала нейтральні струми, повторно перевірила своє обладнання та виявила, що одержаний раніше сигнал нейтральних струмів зник. Це викликало значне збентеження та скептицизм у фізичній спільноті, і існування нейтральних струмів знову було поставлено під сумнів. Урешті-решт члени проекту «Ґарґамелла» почали з чистого аркуша, протестували свій детектор безпосередньо пучком протонів та зібрали значно більше даних. На конференції, яка відбувалася майже рік по тому, у червні 1974-го, команда «Ґарґамелли» представила непереборні докази існування потрібного сигналу. Водночас група-конкурент виявила причину своєї помилки та підтвердила результат «Ґарґамелли». Ґлешоу, Вайнберґа й Салама було реабілітовано.

Нейтронні струми було одержано, і здавалося, що видатне об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодій вже у наших руках. Проте дві проблеми й досі залишалися невирішеними.

Існування нейтральних струмів у розсіюваннях нейтрино підтверджувало ідею існування Z-частинки, проте не гарантувало, що реальна слабка взаємодія ідентична варіанту Ґлешоу, Вайнберґа й Салама, за яким слабка й електромагнітна взаємодії були об’єднані. Дослідження цього питання вимагало експерименту з використанням частинки, яка брала участь і в слабкій, і в електромагнітній взаємодії. Для цього ідеально підходив електрон, оскільки він здатен брати участь лише в цих двох взаємодіях.

Коли електрони взаємодіють з іншими зарядами за рахунок електромагнітного тяжіння, ліво- та праворукі електрони поводяться ідентично. Проте теорія Ґлешоу — Вайнберґа — Салама вимагала, щоб для ліво- та праворуких електронів відбувалася по-різному. З цього випливало, що ретельне вимірювання розсіювання поляризованих електронів — електронів, від самого початку переведених до ліво- чи праворукого стану за допомогою магнітних полів — на різних мішенях має виявити порушення ліво-правої симетрії, проте не таке величезне, як асиметрія, яка спостерігається в розсіюваннях нейтрино, які є суто ліворукими. Тоді ступінь порушення симетрії в електронних розсіюваннях, якщо таке буде, відображатиме міру змішування слабкої взаємодії та електромагнетизму в рамках об’єднаної теорії.

Якщо вже на те пішло, ідею перевірки наявності такої інтерференції за допомогою розсіювання електронів запропонував ще аж 1958 року видатний радянський фізик Яків Борисович Зельдович. Проте мине двадцять років, перш ніж удасться провести достатньо чутливі експерименти. А щодо відкриття нейтрального струму, то тут дорога до успіху була вкрита вибоїнами та містила купу поворотів не туди.

Однією з причин, чому на перевірку цієї ідеї пішло настільки багато часу, є те, що слабка взаємодія слабка. Через домінування електромагнітної взаємодії електронів із матерією, ступінь ліво-правої асиметрії, передбаченої з огляду на можливий обмін Z-частинкою, був малим, менш ніж одна десятитисячна. Для перевірки наявності такої малої асиметрії пучок має бути одночасно інтенсивним та з чітко визначеною початковою поляризацією.

Найкращим місцем для проведення цих експериментів був Стенфордський лінійний прискорювач — збудований 1962 року електронний лінійний прискорювач завдовжки дві милі, який був найдовшою та найпрямішою будівлею з коли-небудь збудованих. Поляризовані пучки з’явилися 1970 року, проте лише 1978 року було розроблено та здійснено експеримент із достатньою чутливістю для пошуку слабко-електромагнітної інтерференції в розсіюванні електронів.

Тоді як успішне спостереження нейтральних струмів 1974 року означало, що теорія Ґлешоу — Вайнберґа — Салама почала здобувати широке визнання серед фізиків-теоретиків, експеримент у СЦЛП 1978 року був настільки важливим через те, що 1977-го було проведено два атомнофізичні експерименти, результати яких, якщо вони були правильні, упевнено перекреслювали цю теорію.

Досі в нашій оповіді ключову роль відігравало світло, освітлюючи (даруйте за каламбур) наше розуміння не лише електрики й магнетизму, а й простору, часу та, урешті-решт, квантового світу. Так і цього разу стало зрозуміло, що світло може допомогти в пошуках можливого електрослабкого об’єднання.

Першим видатним успіхом квантової електродинаміки стало передбачення спектра водню, а зрештою й інших атомів. Проте якщо електрони відчуватимуть ще й слабку силу, виникне невеличка додаткова сила між електронами та ядрами, яка змінить, хай ледве-ледве, характеристики їхніх атомних орбіт. Здебільшого ці зміни неспостережувані, оскільки слабкі ефекти губляться на тлі електромагнітних. Проте слабкі взаємодії порушують парність, тож та сама слабко-електромагнітна нейтральнострумова інтерференція, досліджувана за допомогою пучків поляризованих електронів, може викликати в атомах новітні ефекти, які зникали б, якби єдиною дієвою силою був електромагнетизм.

Зокрема, у випадку важких атомів теорія Ґлешоу — Вайнберґа — Салама передбачала, що якщо пропустити поляризоване світло крізь газ з атомів, то напрямок поляризації світла повернеться на приблизно одну мільйонну градуса через ефекти, які порушують парність нейтрального струму в атомах, крізь які це світло проходить.

1977 року в «Physical Review Letters» одна за одною вийшли друком статті, присвячені результатам двох незалежних атомнофізичних експериментів, проведених у Сіетлі та Оксфорді. Їхні результати жахали. Жодної оптичної ротації не спостерігали на рівні, удесятеро меншому за передбачений електрослабкою теорією. Якби такий результат було отримано лише в одному експерименті, ситуація була б менш однозначною. Проте однаковий результат двох незалежних експериментів із використанням незалежних методів справляв враження однозначності. Схоже, теорію було спростовано.

Утім, експеримент СЦЛП, який почався трьома роками раніше, був у самому розпалі, і оскільки всі приготування до його проведення вже стартували, було затверджено, що збір даних розпочнеться на початку 1978 року. З огляду на попередні нульові результати атомнофізичних експериментів Стенфордська колаборація доповнила експеримент кількома приблудами, щоб у разі, якщо ніякого ефекту виявлено не буде, бути певними, що, якби такий ефект мав місце, вони могли б його виявити.

Через два місяці після початку експерименту почали з’яв­лятися чіткі ознаки порушення парності, і станом на червень 1978 року науковці оголосили про одержання ненульового результату, який узгоджувався з передбаченнями моделі Ґлешоу — Вайнберґа — Салама й базувався на вимірюванні розсіювання нейтрино під дією нейтрального струму, яке слугувало мірою сили Z-взаємодії.

Проте ще лишалися деякі відкриті питання, у першу чергу пов’язані з явною розбіжністю з результатами експериментів у Сіетлі та Оксфорді. Під час обговорення цієї теми в Калтеху Річард Фейнман у своїй звичній манері зосередився на ключовому спірному експериментальному питанні та поцікавився, чи перевіряли експериментатори зі СЦЛП, що їхній детектор однаково гарно реагує як на ліво-, так і на праворукі електрони. Вони цього не робили, проте з теоретичних міркувань не мали підстав очікувати різної поведінки детекторів у випадку різних поляризацій (вісім років по тому, після трагічного вибуху «Челленджера», Фейнман славетно докопається до суті іншої складної проблеми, ефектно продемонструвавши наслідки втрати еластичності гумовим кільцевим ущільненням членам комісії з розслідування катастрофи та телеглядачам, які дивилися пряму трансляцію засідання).