НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1976 г. / ФИЗИКА / БЪРТЪН РИХТЕР

Бъртън Рихтер (Burton Richter)

22 март 1931 г. - 18 юли 2018 г.

Нобелова награда за физика (заедно със Самюел Тинг)

(За пионерската му работа за откриването на тежка елементарна частица от нов вид.)

Американският физик Бъртън Рихтер е роден в Ню Йорк и е единственият син и най-голямото дете в семейството на текстилния работник Ейбрахам Рихтер и Фани (Полак) Рихтер. Момчето проявява отрано интерес към естествените науки. В мазето на дома си създава химична лаборатория и чете много книги по физика. Преди да постъпи през 1948 г. В Масачузетския технологичен институт (МТИ) Рихтер учи в Куинс (щат Ню Йорк) и в щат Пенсилвания. Отначало се колебае в избора на профилиращ предмет, като не знае какво да предпочете – физиката или химията, но един от неговите професори, Франсис Фридман, му отваря, както по-късно казва Рихтер, „очите за красотата на физиката“.

Във втори курс Рихтер работи под ръководството на Франсис Битър в лабораторията по магнетизъм към МТИ, занимавайки се с изследване на физичната система, състояща се от електрон и позитрон (античастица на електрона). Работата, за която след двадесет и пет години Рихтер получава Нобелова награда, се основава на експерименти с тези две частици. Дипломната му работа в МТИ, написана под ръководството на Битър, е посветена на изследването на действието на силните магнитни полета върху енергетичните равнища на водородния атом.

Като получава през 1952 г. степента бакалавър, Рихтер остава в лабораторията на Битър вече като аспирант. Първата му задача е да получи живачен изотоп с бомбардиране на златни атоми с високоенергетични ядра на деутерий (тежък водород). Източник на високоенергетичните ядра е циклотронен ускорител, в който заредените частици се ускоряват, въртейки се по спирала. Скоро Рихтер започва да се интересува от принципите на действие на циклотрона и от заложените в него възможности за изследвания в областта на ядрената физика и на физиката на елементарните частици повече от проблема за получаване на живачен изотоп.

По това време Рихтер се среща с физика Дейвид Фриш, който му урежда покана за шест месеца в Брукхейвънската национална лаборатория на остров Лонг Айлънд в Ню Йорк. Там той има възможност да работи с един от най-мощните от действащите по това време ускорители. След завръщането си в МТИ Рихтер прави опити с институтския синхотронен ускорител, който обаче е много по-малък по размери. В синхотрона частиците се движат по кръгови орбити, а не по спирали.

През 1959 г. Рихтер завършва докторската си дисертация, като използва синхотрона за проучване на някои нестабилни частици. След защитата той става асистент-изследовател във физическия факултет на Станфордския университет. По това време интересите му се съсредоточават изцяло върху квантовата електродинамика – теория за електромагнитните сили, действащи на заредените частици. Рихтер предлага да провери тази теория, като наблюдава сблъсъците между движещите се и намиращите се в покой електрони. Неговите колеги Волфганг Панофски и Сидни Дрел предлагат по-успешен подход – да се проучват двойки електрони и позитрони, възникващи при гама-излъчването (най-високоенергетичната компонента на електромагнитното излъчване). Получените от Рихтер резултати показват, че квантовата електродинамика описва правилно електромагнитните сили на разстояние до една десеттрилионна част от сантиметъра.

В обикновените ускорители снопчето частици, ускоравяни до висока енергия, се насочват към атомите на стационарна мишена. Доста по-високи енергии могат да се постигнат при сблъсък на две частици, които се движат една срещу друга. През 1957 г. Джералд К. О'Нийл от Принстънския университет предлага за получаването на подобни насрещни сблъсъци да се натрупват ускорени частици, движещи се по кръгови орбити в тороидална вакуумна камера. На следващата година Рихтер, О'Нийл и няколко други физици започват да изграждат два такива натрупващи пръстена в Станфорд. Ускорителят на лабораторията по физика на високите енергии към университета трябва да захранва двата пръстена с електрони, ускорени до енергия седемстотин милиона електронволта. Няколко години минават за преодоляване на различни технически трудности, преди натрупващите пръстени да започнат да функционират нормално. За първите си резултати, потвърждаващи квантовата електродинамика, при което около десет пъти по-точно от по-ранния експеримент на Рихтер, групата съобщава през 1965 г.

Междувременно през 1960 г. Рихтер става адюнкт-професор в лабораторията по физика на високите енергии. След три години се мести на работа в Станфордския линеен ускорител (СЛАК), разположен близо до университета. През 1967 г., продължавайки да работи в СЛАК, става действителен професор в Станфордския университет.

Имайки такъв източник на високоенергетични електрони като СЛАК, физиците получават възможността да изграждат натрупващи пръстени от нов вид. Проектантите на предишните натрупващи пръстени разполагат два пръстена във вид на осморка: електроните, циркулиращи по отделните пръстени, се сблъскват при общия сегмент, свързващ пръстените. СЛАК позволява да се получат както електрони, така и позитрони, които могат да се натрупват в един пръстен. Електромагнитните полета, които карат електроните да циркулират в пръстена по часовниковата стрелка, принуждават позитроните да циркулират срещу часовниковата стрелка.

Рихтер оглавява група, която през 1980 г. започва да изгражда електронно-позитронен натрупващ пръстен за СЛАК. Тази установка, получила името Станфордски електронно-позитронен натрупващ пръстен, позволява да се достигне енергия на сблъсък от осем милиарда електронволта. Една година след пускането на установката научният свят научава за нея. Експериментите, провеждани с новата установка, които започват през 1973 г., са противоположни на експериментите, проведени от Рихтер в Станфорд. Ако при тези експерименти електроните и позитроните се създават от високоенергетично електромагнитно излъчване, то при всеки сблъсък, произтичащ в новата установка, електронът и позитронът анихилират, създавайки електромагнитен „файербол“ („електронна топка“), от който на свой ред се появяват нови частици.

През лятото на 1974 г. Рихтер се занимава с измерване на зависимостта на скоростта, с която се появяват адроните (вид частици, обуславящи силното ядрено взаимодействие между протона и неутрона), от енергията на сблъсъка. На натрупващия пръстен се придава всеки път определена енергия на сблъскване и се броят образувалите се адрони. След това се увеличава малко енергията и се повтаря измерването. Както очакват изследователите, скоростта на поява нараства гладко и постепенно. Но при определена енергия, съответстваща примерно на масата на протона, скоростта на появата на андрони бележи висок стръмен връх. Такъв вид „резонанс“ е често красноречив признак за появата на нова частица с маса, съответстваща на енергията на сблъсъка, при която се наблюдава покачването.

Рихтер и неговата група повтарят експеримента няколко месеца, като изключват възможните източници на технически грешки и измерват зависимостта на скоростта на поява на адроните от енергията на сблъсъка с малки стъпки на увеличаване на енергията, за да се избегне „лъжлива тревога“. Към ноември всичките потенциални източници на грешки са изключени и групата обявява за откриване на частица. Един ден след това групата на Самюел Тинг от МТИ независимо и (почти) едновременно идентифицира същата частица, използвайки друга експериментална техника. Рихтер нарича новата частица с гръцката буква ψ (пси), защото „това е единствената гръцка буква, която не е използвана още за означаване на атомна частица“. Тинг избира за новата частица „името“ J (джей). По-късно двете обозначения са обединени в едно (джей/при).

Откриването на още една нова субатомна частица само по себе си не би предизвикало особено оживление сред тези, които се занимават с физика на високите енергии: от 50-те години нататък са открити повече от десет адрона и има сериозни основания да се очаква, че броят им ще се увеличава още повече. Но в крайна сметка всички масивни адрони се оказват необичайно краткотрайни. Те са възбудени състояния на по-малко масивни адрони, аналогично на възбуденото състояние на атомите, които бързо се разпадат, като създават по-малко масивни свои родственици, например протона и неутрона. Необичайното в джей/пси частицата е времето ѝ на съществуване, около десет хиляди пъти превъзхождащо величината, която би могло да се очаква за частица с такава маса. Това толкова неочаквано дълголетие навежда на мисълта, че джей/пси притежава някакво материално свойство, каквото не е характерно за другите леки частици. Необходимостта по някакъв начин да се освободи от това ново свойство и да го отхвърли довежда до задържане на разпадането, тъй като нито една лека частица не притежава такова свойство.

Откритата от Тинг и Рихтер джей/пси частица се превръща в експериментално потвърждение за наличието на определено свойство на фундаменталните частици, наречени очаровани. Още през 1963 г. физиците Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг изказват хипотеза, според която адроните се състоят от няколко фундаментални частици, които Гел-Ман нарича кварки. Отначало са познати три вида кварки: горни, долни и странни и те позволяват да се опишат всички адрони, които са известни до откриването на джей/пси частицата. Но през 1964 г. Шелдън Л. Глашоу и Джеймс Д. Бьоркен изказват аргументи в полза на съществуването на четвърти кварк, който получава названието очарован кварк и който може да обясни някои особености във взаимодействието на познатите частици. Откриването на джей/пси частицата потвърждава хипотезата на Глашоу и Бьоркен, защото тази частица се състои от очарован кварк, свързан с очарован антикварк. Оттогава са открити десетки други очаровани частици. Много от тях са идентифицирани за първи път от групата на Рихтер.

От 1979 г. Рихтер заема поста професор в Станфорд, комбинирайки задълженията си с работа с ускорителя СЛАК. Той е също така консултант на министъра на енергетиката на САЩ.

През 1960 г. Рихтер се жени за помощничката на администратора на Станфордския университет Лауроз Бейкър. Семейството има син и дъщеря. Колегите му характеризират Рихтер като чувствителен човек с наистина неизчерпаемо чувство за хумор. В свободното си време той обича да се разхожда, да кара ски, да играе скуош и да се занимава с работа в градината си.

Освен с Нобелова награда Рихтер е удостоен с наградата Ърнест Орландо Лоурънс на Агенцията за проучване и развитие на енергетиката в САЩ (1975 г.). Член е на американската Национална академия на науките, на Американската асоциация на фундаменталните науки и на Американското физическо дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов