НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1980 г. / ФИЗИКА / ДЖЕЙМС УОТСЪН КРОНИН

Джеймс Уотсън Кронин (James Watson Cronin)

29 септември 1931 г. - 25 август 2016 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Вал Логсдън Фич)

(За откриване на нарушения на фундаменталните принципи на симетрия при разпадането на неутралните К-мезони.)

Американският физик Джеймс Уотсън Кронин е роден в Чикаго (щат Илинойс) в семейството на Джеймс Фарли Кронин, по това време студент по класически езици в Чикагския университет, и Дороти (Уотсън) Кронин. Родителите на Кронин се запознават на лекции по старогръцки език в Северозападния университет. След кратковременен престой в Алабама през 1939 г. семейството се мести в Далас (щат Тексас), където бащата на Кронин става професор по латински и старогръцки език в Южния методистки университет. Кронин посещава местното начално и средно училище в Хайленд парк, а след това продължава образованието си в Южния методистки университет, който завършва през 1951 г., като получава степента бакалавър по физика и математика.

Лично Кронин смята, че истинското му образование започва през есента на 1951 г., когато става аспирант в Чикагския университет. Сред неговите учители са Енрико Ферми, Мария Гьоперт-Майер, Едуард Телер, Вал Телегди, Марвин Голдбъргър и Мъри Гел-Ман. Именно Гел-Ман пробужда у Кронин интерес към току-що зараждащата се по това време физика на елементарните частици. Научната степен доктор Кронин получава през 1955 г., като защитава дисертация по експериментална ядрена физика, написана под ръководството на Самюел К. Алисън.

След това Кронин се присъединява съм групата на Родни Кул и Орест Пичони в Брукхейвънската национална лаборатория на Лонг Айлънд. Изследователите работят с неотдавна изградения космотрон ускорител, способен да ускорява протоните до енергия от 3 милиарда електронволта. В Брукхейвън Кронин среща Вал Л. Фич, който през есента на 1958 г. го кани да отиде на работа в Принстънския университет. Осъществявайки независими изследователски програми, двамата учени поставят през 1963 г. съвместен, станал класически експеримент, който подкопава изглеждащата непоклатима представа за един от законите на природата.

Някога физиците смятат, че в природата действат три фундаментални закони на симетрията. Според първия закон, известен като „симетрия на конюгиране на заряда“ (С), според който всеки физичен експеримент трябва да остане непроменен, ако всяка частица в експеримента бъде заменена със съответната античастица (иначе казано – с частица близнак, но с противоположен електрически заряд). Иначе казано, светът, състоящ се изцяло от антиматерия, трябва да се подчинява на същите физични закони като светът, състоящ се от материя. Вторият закон – „за запазване на четността“ (Р), твърди, че всяка реакция между частиците трябва да остане една и съща, ако всичките геометрични величини, например такива като пространствените координати, се заменят с техни огледални изображения, което ще рече, че никаква реакция не позволява да се различи дясното от лявото. Третият закон, „за симетрия при обръщане на времето“ (Т), гласи, че всяка реакция между елементарните частици трябва да протича еднакво добре както в право, така и в обратно направление. Например, ако две частици могат да се сливат, образувайки трета, третата може да се разпадне с образуване на двете изходни частици.

През 1956 г. Ли Джендао и Ян Ченин стигат до извода за възможно незапазване на четността Р при някои реакции, свързани със слабото взаимодействие, което отговаря за някои форми на радиоактивното разпадане, за разлика от силното взаимодействие, което удържа частиците вътре в атомното ядро. Те предлагат експерименти, които позволяват да се реши този въпрос. А скоро Ву Дзянсюн и нейните сътрудници от Колумбийския университет доказват, че четността не се запазва напълно при бета-разпадането (излъчването на електрони) на някои радиоактивни ядра: ядрата излъчват повече „ориентирани вляво“ електрони отколкото „ориентирани вдясно“. Други учени установяват, че „конюгирането на заряда“ (С) също се запазва само приблизително. При някои физически процеси се наблюдава предпочитане на частици пред античастици. Физиците успяват да изградят някакво подобие на ред, обединявайки С и Р в комбиниран закон за запазване на СР-симетрията, който се потвърждава от експериментални резултати. Нарушаването на С се компенсира от едновременното нарушаване на Р и обратно. Например, ако излишъкът на лявоориентирани електрони нарушава запазването на четността, едновременната замяна на частиците с античастици превръща лявоориентираните електрони в дясноориентирани позитрони и физичните закони остават непроменени. Именно универсалното запазване на комбинираната СР-симетрия, предложено за обясняване на нарушаването на С и Р-симетрията поотделно, опровергават Кронин и Фич през лятото на 1963 г.

Кронин и Фич получават неутрални К-мезони, наричани сега каони (частици с двойно по-малка маса от протона), създавани от ускорителя в Брукхейвън. Пристъпвайки към експеримента, учените не си поставят за задача да опровергават СР-симетрията, напротив – те се надяват да я потвърдят. Но при серията от експерименти, проведени с участието на Рене Турле от Центъра за ядрени изследвания във Франция и на Джеимс Кристенсън, аспирант от Принстън, Кронин и Фич откриват безусловно потвърждение за нарушаване на СР-симетрията. Първото такова потвърждение е косвено; а следващите изследвания правят ефекта очевиден. При разпадането на К-мезоните лявоориентираните частици преобладават над дясноориентираните (нарушена е четността на Р), а материята - над антиматерията (нарушена е зарядната симетрия С). Освен това комбинираната СР-симетрия също се нарушава – при разпадането лявоориентираната материя преобладава над дясноориентираната. В съответствие с СР-симетрията краткотрайните неутрални К-мезони трябва да се разпадат на два пи-мезона, а дълготрайните неутрални К-мезони (средно те съществуват петстотин пъти повече от краткотрайните) трябва да се разпадат само на три пи-мезона. Експерименталните резултати, посрещнати отначало с недоверие, шест месеца преди публикуването им са подложенин а прецизен анализ и проверка, които доказват убедително, че някои дълготрайни К-мезона се разпадат на два пи-мезона.

Извън подозрение остава само общата симетрия – комбинацията от всичките три симетрии. Всяко явление, наблюдавано в природата, има такива свойства, че съответното явление, възникващо при едновременна замяна на лявото и дясното, на материята и антиматерията и обръщане на времето, трябва да бъде равно вероятно. Този факт и нарушаването на СР-инвариантността довеждат до извода, че симетрията относно обръщането на времето трябва да се нарушава. Ако се нарушава СР-симетрията, за да се запази СРТ-симетрията, Т-симетрията (отнасяща се до обръщането на времето) трябва също да се нарушава. Разпадането на К-мезона, нарушаващо СР-симетрията, не може да бъде обратимо във времето. Тези изводи заставят учените не само да преосмислят предишните обяснения на физичните явления, но и да създадат нова теория за еволюцията на Вселената. Наистина, ако в първите моменти на „големия взрив“ материята и антиматерията са се образували в равни количества, те биха могли да анихилират напълно. Но нарушаването на СР-инвариантността позволява на античастиците да се разпаднат по-бързо от частиците и следователно да изчезнат по-бързо, оставяйки във Вселената излишък от частици във вид на вещество. Що се отнася до процесите на анихилация, те попълват запаса от електромагнитно излъчване във Вселената.

През 1964 г. Кронин става професор в Принстънския университет, но прекарва годината в Центъра за ядрени изследвания във Франция, където работи с Турле. През следващата година той се връща в Принстън, където продължава изследванията за нарушаването на СР-симетрията и разпадането на К-мезоните. През 1971 г. става сътрудник на факултета по физика в Чикагския университет, където осъществява експерименти с новия ускорител на Националната лаборатория „Ферми“, разположен непосредствено зад пределите на града.

След получаването на Нобеловата награда Кронин продължава да работи в Чикагския университет, където по-специално се опитва да разбере дълбоките причини за нарушаването на СР-симетрията.

През 1954 г. Кронин се жени за Анет Мартин, аспирантка в Чикагския университет. Семейството има три деца. Свободното си време ученият прекарва най-често на вилата си в щат Уисконсин, обича да прави и разходки със ски.

Освен с Нобелова награда Кронин е удостоен с наградата „За научни достижения“ на Изследователската корпорация на Америка (1968 г.), с медала Джон Прайс Уезерил на института „Франклин“ (1975 г.) и с почетната награда Ърнст Орландо Лорънс за физика на Управлението за енергетични изследвания и разработки на САЩ (1977 г.). Член е на американската Национална академия на науките, на Американското физическо дружество и на Американската академия на науките и изкуствата.

Превод от руски: Павел Б. Николов