НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1980 г. / ФИЗИКА / ВАЛ ЛОГСДЪН ФИЧ

Вал Логсдън Фич (Val Logsdon Fitch)

10 март 1923 г. - 5 февруари 2015 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Джеймс Уотсън Кронин)

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

Американският физик Вал Логсдън Фич, най-малкия от петте деца на Франсис М. (Логсдън) Фич и Фред Б. Фич, е роден в скотовъдно ранчо в Чери каунти (щат Небраска), недалече от границата на щата Южна Дакота. Когато Фич е още дете, баща му, обяздвайки кон, се наранява тежко и семейството е принудено да се премести в съседния град Гордън, където главата на семейството се заема със застрахователна дейност.

След завършването на средно училище Фич е мобилизиран в армията и през 1943 г. е насочен към състава на специално инженерно подразделение в Лос Аламос (щат Ню Мексико) за осигуряване на дейност в рамките на Манхатънския проект, секретна програма за създаване на атомна бомба. Назначен като лаборант в групата, която се ръководи от английския физик Ърнест Титъртън, Фич се запознава с известни физици като Енрико Ферми, Айзък Раби, Робърт Опенхаймер, Нилс Бори, Джеймс Чадуик и Р. Ч. Толман. Техните професионални и лични качества му правят неизгладимо впечатление. По-късно Фич си спомня, че именно тогава научил да не използва за измерване вече наличния прибор, а да се отдава на свободното течение на мислите си и да се опитва да намери начин за решаване на задачата по нов начин. Фич е очевидец на първия атомен взрив в пустинята Ню Мексико, където неговата група прокарва кабела, по който е предаден сигналът за взрива на бомбата.

Фич се демобилизира през 1946 г., а през 1948 г. получава степента бакалавър на науките по електротехника в университета „Макгил“ (Монреал) и започва да следва аспирантура в Колумбийския университет в Ню Йорк. Под ръководството на Джеймс Рейнуотър той подготвя дисертация за мезоатомите. Темата за дисертацията му подсказва Оге Бор, който по това време е съсед на Рейнуотър по кабинет. В мезоатомите вместо обичайните електрони в орбита се намират мю-мезони – частици, открити първоначално в космическите лъчи. Мю-мезоните приличат по всичко на електрониште, като изключим това, че са около двеста пъти по-тежки от тях. Както показват изчисленията, излишната маса засилва разликите между близко разположените енергетични равнища и това влияе върху спектъра на атомното излъчване. Учейки последната година като аспирант, Фич става преподавател по физика в университета. Докторската си дисертация защитава през 1945 г. След това работи като преподавател в Принстънския университет, където през 1960 г. става професор, а през 1976 г. е назначен за декан на факултета по физика.

През 1963 г. Фич и Джеймс У. Кронин, заедно с Джеимс Кристенсън (студент на Кронин) и физика от френския Център за ядрени изследвания Рене Турле, осъществяват експеримент в Брукхейвънската национална лаборатория на Лонг Айлънд (Ню Йорк) за проучване на неутралните К-мезони (каони). Каоните, известни със своите странни свойства, са неустойчиви частици с маса, равна на около половината от масата на протона, които се образуват при сблъсък на атомни ядра с висока енергия. Преди това те са описани в разработка на Ли Джендао и Ян Ченин (1956 г.) като необичайни частици при така наречените „слаби реакции“, при които може да се наруши една от трите фундаментални симетрии, или закони за запазването. Тези симетрии имат специалното обозначение С, Р и Т. Запазването С („конюгиране на заряда“) означава, че реакциите трябва да протичат еднакво, ако частиците се заменят с античастици (частици близнаци, но с противоположен електрически заряд), например електроните с позитрони и протоните с антипротони. Запазването Р („запазване на четността“) означава, че реакциите трябва да протичат еднакво, ако геометричните характеристики на частиците се заменят с огледални отражения, например лявото с дясно или въртенето по часовниковата стрелка – с въртене срещу часовниковата стрелка. Запазването Т (симетрия относно обръщането на времето) означава, че правата реакция протича също като обратната.

Ли и Ян предлагат експерименти за проверка на своите теоретични предположения, а Ву Дзянсюн и нейните сътрудници от Колумбийския университет откриват, че четността се запазва при бета-разпадането (излъчването на електрони) не строго, а ядрото само приблизително излъчва предимно „ориентирани в ляво“ електрони. Други експерименти доказват, че С се запазва също неточно - някои реакции между частици протичат с по-голяма вероятност от реакциите между античастици. Теоретичните трудности са преодолени след като е изказано предположението, че трябва да се запазва комбинирана четност СР; нарушаването на конюгирането на заряда С следва да се компенсира с едновременно нарушаване на четността Р, както в алгебрата произведението на две положителни числа остава положително, ако направим едновременно двата множителя отрицателни. Тъй като запазването на пълната симетрия на CPT се подкрепя от общите принципи и паритетът на CP се счита едновременно за инвариантен, трябва да се запази и симетрията при обръщане на времето T. Нарушаването на симетрията на T не може да бъде компенсирано от много малко вероятното нарушаване на симетрията CP.

През 1955 г. Мъри Гел-Ман и Ейбръхам Пайс изказват предположението, че снопът каони се състои от комбинация на частици и античастици, проявяващи се при експерименталните наблюдения като два различни електрически неутрални каона: KS0 (S краткотраен) и KL0 (L дълготраен). Времето на съществуване на KL0 е само една десетмилионна част от секундата, но тази величина превишава около петстотин пъти времето на съществуване на каона KS0. Запазването на комбинираната симетрия СР допуска разпадане на каона KS0 на два пи-мезона (пиона) – единият положително зареден, а другият отрицателно зареден (пионите са свързани със силното взаимодействие, осигуряващо целостта на атомното ядро). Обаче такова разпадане е забранено за каона KL0, който може да се разпада само на три пиона – положително зареден, отрицателно зареден и неутрален. Теоретичната позиция е потвърдена през 1956 г., когато е доказано експериментално разпадането на каона KL0 на три пиона. Двата вида каони могат да бъдат разделени, защото в типична експериментална ситуация краткотрайните частици успяват да преодолеят до разпадането си само няколко сантиметра, докато дълготрайните частици изминават десетки метри, което позволява да се наблюдава само KL0.

Фич, Кронин и техните сътрудници започват своите изследвания, използвайки усъвършенствано оборудване, например искрова камера, позволяваща да се определят с особена точност пътищата на продуктите на разпадане и да се избере реакция за наблюдение. За да получат каони, експериментаторите бомбардират берилова мишена с протони, ускорени до висока енергия от Брукхейвънския синхотрон. Детекторите са поставени на седемнадесет метра от мишената, където се появяват каоните - на разстояние, достатъчно голямо, за да настъпи разпадането на каоните KS0 и да остане сноп, състоящ се само от каони KL0. Но една от особеностите в поведението на каоните, открити по време на експеримента, се състои в това, че след преминаване през блок от материал, поглъщащ KL0, в снопа отново се появяват каони KS0. Това явление се нарича регенерация. Като го изследват, учените използват блокове от волфрам, мед, въглерод и течен водород и откриват потвърждение на теоретичните предположения при пълно отсъствие на аномалии. Получените данни позволяват на участниците в експеримента да твърдят, че регенерацията влияе незначително на резултатите от проведения по-късно експеримент, когато в областта на разпадането на каона KL0 е въведен съд, напълнен с хелий. Резултатите от експеримента, посрещнати отначало с недоверие, посочват, че при четиридесет и пет от двадесет и три фотографирани събития в искровата камера каонът KL0 се разпада на два пиона, вместо според теорията да се разпадне на три. Като имат предвид важността на резултатите, експериментаторите потвърждават това с повторни изпитания и в продължение на половина години се опитват да намерят безуспешно алтернативни обяснения, преди да се решат и да публикуват данните за нарушаване на комбинираната симетрия СР.

Нарушаването на СР-симетрията означава, че за запазването на СРТ-симетрията се нарушава и симетрията за обръщане на времето Т, затова може да се направи извод, че природата не е безразлична в каква посока тече времето, напред или назад. Това нарушаване на симетрията позволява на учените да изкажат определени предположения, обясняващи защо материята и антиматерията, появили се според теорията за „големия взрив“, когато се заражда Вселената, не са анихилирали напълно. Ако материята притежава даже малко по-продължителен период на разпад от антиматерията, то съвременната Вселена е остатък от веществото, което се е запазило след взаимната анихилация на материята и антиматерията и окончателното изчезване на антиматерията заради по-бързото ѝ разпадане. При това именно анихилацията е източник на по-голямата част от космическото електромагнитно излъчване.

Нарушаването на СР-симетрията може да се обясни с помощта на нови теории, утвърждаващи съществуването на фундаменталните частици кварки, от които се състоят другите субатомни частици. Съществуването на кварките е постулирано за първи път от Гел-Ман.

През 1949 г. Фич се жени за Елиза Канингхем. Семейството има двама сина. Четири години след смъртта на първата си жена Фич се жени през 1973 г. за Дейзи Харкър, която има три деца от предишния си брак. От детските си години ученият е поклонник на отдиха на чист въздух: пешеходни разходки, походи с нощуване на палатки и т. н. Той обича да слуша класическа музика и в свободното си време да се занимава с отглеждане на миниатюрни дървета.

Фич е член на Американското физическо дружество, на Америсанската академия на науките и изкуствата и на Националната академия на науките на САЩ. От 1970 до 1973 г. е член на Американската асоциация за съдействие на развитието на науката и на Консултативния комитет за наука към президентството на САЩ. Сред наградите, които получава, са наградата за наука на Изследователската корпорация на Америка (1968 г.), наградата по физика Ърнст Орландо Лорънс на Комисията за атомна енергия на САЩ (1968 г.) и медала Джон Прайс Уезерил на института „Франклин“ (1976 г.)

Превод от руски: Павел Б. Николов