НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1984 г. / ФИЗИКА / КАРЛО РУБИА

Карло Рубиа (Carlo Rubbia)

31 март 1934 г.

Нобелова награда за физика (заедно със Симон ван дер Меер)

(За решаващ принос в голям проект, чието осъществяване довежда до откриване на полевите кванти W и Z – носители на слабото взаимодействие.)

Италианският физик Карло Рубиа е роден в малкото провинциално градче Гориция, разположено близо до италианско-югославската граница, и е син на инженера по електротехника Силвио Рубиа и началната учителка Беатриче (Личени) Рубиа. Влечението към науката и техниката у момчето се появява рано, то прекарва много време, изучавайки електрическото оборудване на свързочните средства, захвърлени по време на Втората световна война.

Към края на войната югославската армия заема голяма част от провинция Гориция и семейство Рубиа се евакуира отначало във Венеция, след това в Удине и накрая се заселва в Пиза. След като завършва средно училище, Рубиа възнамерява да учи физика в привилегировано училище, влизащо в състава на Пизанския университет, но се проваля на приемните изпити заради пропуски в образованието си, предизвикани от войната. Принуден да остави мечтата си за физика, Рубиа постъпва в инженерния факултет на Миланския университет. След няколко месеца обаче получава съобщение, че може да се върне в Пиза и да заеме освободило се в последния момент място. По-късно Рубиа отбелязва по този повод, че е станал физик благодарение на случая. Той продължава образованието си в Пиза и през 1958 г. пише докторска дисертация, посветена на експерименталното изследване на космическите лъчи и на разработването на прибори за установяване на елементарните частици, образуващи се в ускорителите при сблъсък с други частици, ускорени до високи енергии.

За да натрупа опит, особено в областта на ускорителите, Рубиа прекарва учебната 1958/59 година в Колумбийския университет, където работи със Стивън Уайнбърг и други водещи учени в областта на физиката на частиците с високи енергии. След завръщането си в Италия през 1960 г. ученият работи известно време в Римския университет, а след това отива в ЦЕРН (Европейския център за ядрени изследвания) – консорциум на тринадесет европейски държави, разположени в Швейцария, недалече от Женева. Малко преди това ЦЕРН изгражда най-мощният в света ускорител на частици – протонния синхотрон, с чиято помощ изследователите се надяват да получат елементарни частици, предсказани теоретично, но още непотвърдени експериментално.

Физиците познават четири фундаментални взаимодействия, съществуващи в природата: гравитационно (свързано с привличането между масите), електромагнитно (взаимодействието между електрически заредените или магнитните тела), „силно“ (взаимодействие, което не позволява на ядрото да се разпадне, компенсира отблъскването на носещите електрически заряд протони и задържа нямащите заряд неутрони) и „слабо“ (взаимодействие, свързано с радиоактивния разпад на някои нестабилни ядра, по-специално с излъчване на бета-частици или на електрони). Смята се, че фундаменталните взаимодействия се осъществяват чрез обмен на частици, или кванти на силовите полета, които са, както се смята от първите дни на съществуването на квантовата теория, дискретни порции, от които се състои енергията. Първата открита частица, която пренася взаимодействие, е фотонът – квант електромагнитно излъчване, например светлина. Развитието на съвременната квантова механика, признаваща дуализма вълна-частица, довежда физиците до неизбежния извод за това, че светлината, чиято вълнова природа е призната в продължение на почти две столетия, има поведение на поток от дискретни частици. Теорията за относителността на Алберт Айнщайн въвежда еквивалентността на масата и енергията, което дава теоретическо и практическо средство за анализ на взаимодействията, засягащи масите на частиците и лишеното от маса излъчване.

Така при електромагнитното взаимодействие на заредените частици, например електрона и протона, става обмен на фотони без маса. През 1935 г. японският физик Хидеки Юкава предсказва чисто теоретически, че взаимодействието в ядрото се осъществява от полета, чийто квант притежава маса, и посочва вероятното измерение на тази маса. Предсказаната от Юкава частица е открита през 1947 г. от английския физик Сесил Ф. Поуел при сблъскването на високоенергетични космически лъчи с атомни ядра. Частицата е наречена пи-мезон, или пион, нейната маса е около 200 пъти по-голяма от масата на електрона. Пионът пренася силно взаимодействие. По-късно пиони са получени и в лабораторни условия с мощни ускорители. Открити са много различни мезони и други субатомни частици. Активната дейност в тази област продължава и до днес. Едни физици предлагат теории, позволяващи да се въведе нещо като рационален ред в дивата смес от частици, други се опитват да изграждат все по-нови и нови ускорители, за да могат по този начин да наблюдават още повече частици.

Съществуването на четирите взаимодействия не се харесва на физиците и те отдавна се опитват да създадат теория, която да обедини всички взаимодействия. През 1960 г. американският физик Шелдън Л. Глашоу предлага единна теория за електромагнитното и слабото взаимодействие (обединеното взаимодействие е наречено електрослабо), която обаче изисква съществуването на три, ненаблюдавани преди това частици W+ - с положителен електрически заряд, W- - с отрицателен електрически заряд, и Z0 – с нулев заряд. Трите частици попадат в един клас частици, наречени бозони (в чест на индийския физик Сатиендра Нат Бозе). Фотонът, пионът и ядрата с четен брой нуклони (протони и неутрони) също са бозони. Стивън Уайнбърг и Абдус Салам, независимо един от друг, предсказват, че бозоните на Глашоу би трябвало да съществуват за кратко време и трябва да имат маса около десет пъти по-голяма от масата на която и да е от известните елементарни частици. Заради големите очаквани маси за появата на такива частици се изисква необичайно високи енергии.

През 1969 г. Рубиа, заедно с Алфред Ман и Дейвид Клайн, решава да се заеме с търсенето на W и Z частици в Националната ускорителна лаборатория „Ферми“ (Фермилаб) близо до Чикаго. След две години те преустановяват своята работа, за да обявят за получаване на данни, свидетелстващи за съществуването на неутрални токове – потоци от незаредени частици, очаквани като следствие от обмена на Z0 частиците. Съобщението на групата на Рубиа, ако се потвърди, означава потвърждаване на теорията на Глашоу-Уайнбърг-Салам. Но след като изследователи от ЦЕРН, които също се занимават с търсене на неуловими токове, обявяват през 1973 г., че са успели да получат почти окончателни данни, групата от Фермилаб публикува набързо статия, в която признава, че не е успяла да открие неутрални токове. След една година групата пак променя мнението си и публикува изчерпателно подробна статия за съществуването на неутрални токове. Макар че правилността на изводите в последната статия не предизвиква у никого съмнения, епизодът с отказа от откриването на неутралните токове „разклаща“ леко репутацията на Рубиа.

Разполагайки с нови данни, потвърждаващи косвено съществуването на W и Z частиците, Рубиа, се заема отново с тяхното търсене. Обаче нито един съществуващ тогава ускорител не позволява да се постигне енергия, необходима за появата на толкова масивни частици. През 1976 г. Рубиа, Клайн и Питър Макинтайър внасят радикално предложение за превръщане на съществуващия в ЦЕРН ускорител в свръхмощен протонен синхотрон (СПС), за да се ускоряват частици до високи енергии, като се получат снопчета протони и антипротони, циркулиращи по един и същ пръстенов тунел в противоположни посоки и сблъскващи се след ускоряване до нужните енергии. Пол Дирак предсказва през 1928 г. съществуването на антиматерия под формата на аантиелектрон – частица близнак на отрицателно заредения електрон, но с положителен заряд. Сблъскването на материята и антиматерията довежда до анихилиране на двете маси и отделяне на енергия. Теорията на Дирак е потвърдена през 1932 г., когато Карл Д. Андерсън открива антиелектрона (наричан днес позитрон).

Предложението на Рубиа, Клайн и Макинтайър изисква решаването на много трудни проблеми и е посрещнато с изряден скептицизъм. Въпреки това Рубиа, известен със своя истински оптимизъм и с „пробивните“ си способности, успява да убеди ЦЕРН да приеме през 1979 г. проект за построяване на СПС с ориентировъчна стойност 100 милиона долара.

Един от най-важните пунктове за осъществяване на замислите е създаването на сложен детектор за откриване на частиците, появяващи се при сблъсъците, и определяне на техните характеристики като енергия и посока на движението. Работейки с група, наброяваща повече от сто души, Рубиа и неговите колеги изграждат 1200-тонна детекторна камера, позволяваща да се идентифицират и определят свойствата на около десет търсени частици, които се предполага, че ще бъдат открити експериментално (по една на всеки милиард сблъсъка). По-малък – 200-тонен – детектор е изграден от втора група с цел други експерименти и потвърждаване на резултатите, получени с помощта на първия детектор.

Проблемът с получаването на достатъчно количество антипротони (антиматерията се среща крайно рядко) е решен от Симон ван дер Меер. Предложеният от него метод се състои в това, че антипротоните, появяващи се при бомбардирането на твърда медна мишена с кратки серии импулси от много бързо движещи се протони в протонния синхотрон (ПС), се отвеждат и събират в специален пръстен за съхранение. Сложна система от електроди фокусира антипротоните, събирайки ги в „пакети“ от импулси. След това антипротоните от пръстена за съхранение се инжектират отново в ПС, получават предварително ускорение и отиват в СПС заедно със „сбити заедно“ протони, които са ускорени по аналогичен начин. След това частиците и античастиците се ускоряват окончателно до енергия от 300 милиарда електрон-волта. Тъй като частиците и античастиците имат заряд с противоположен знак, те се движат по изпомпен до дълбок вакуум пръстен с диаметър четири мили в противоположни направления и се сблъскват в шест напълно определени точки, в две от които са разположени детекторите.

Експериментите започват през 1982 г. и за един месец са открити пет W частици. За да се избегнат преждевременни заявления за откритието, Рубиа чака до края на 1983 г. и публикува съобщението на своята група за откриването на W+ и W– частиците едва след прецизен анализ на експерименталните данни, а няколко месеца по-късно съобщава и за откриването на Z0 частици.

Малко преди присъждането на Нобеловата награда Рубиа със своята група съобщава за откриването на t-кварка – елементарна частица, която се смята за фундаментална съставка на другите частици като протоните и неутроните. Рубиа предлага да се изгради нов и много по-мощен ускорител на протони към големия електрон-позитронен колайдер в ЦЕРН.

От 1970 г. Рубиа прекарва половин година, занимавайки се с преподавателска дейност, в Харвардския университет, където през 1986 г. става професор по физика, а през другата половина на годината работи като старши физик в ЦЕРН. Енергичен, непознаващ покоя, Рубиа е признат не само като изкусен експериментатор, но и като гъвкав и динамичен ръководител на проекти.

През 1957 г. Рубиа се жени за учителката по физика Мариз Ром. Семейството има син и дъщеря, живее в Женева и има дом близо до Бостън (щат Масачузетс).

През 1985 г. Рубиа е награден с италианския Голям кръст и наградата Джордж Ледли на Харвардския университет. Член е на Европейската академия на науките и на Американската академия на науките и изкуствата, а също така е чуждестранен член на Лондонското кралско дружество. Почетен доктор е на много университети, сред които университета в Женева, в Генуа, в Удине и в Ла Плата.

Превод от руски: Павел Б. Николов