НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1984 г. / ФИЗИКА / СИМОН ВАН ДЕР МЕЕР

Симон ван дер Меер (Simon van der Meer)

24 ноември 1925 г. - 4 март 2011 г.

Нобелова награда за физика (заедно със Карло Рубиа)

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

Холандският физик и инженер Симон ван дер Меер е роден в Хага. Трето от четири деца, той е единствен син на учителя Питер ван дер Меер и Йетске Гренефелд. Родителите ценят високо начетеността и с цената на материални жертви дават на децата си добро образование. Меер учи в местната гимназия и взема зрелостните си изпити през 1943 г., когато Холандия е окупирана от германците по време на Втората световна война. Тъй като германците затварят холандските университети, Меер учи още две години хуманитарни дисциплини в гимназията. Но интересът му към физиката и техниката непрекъснато расте. Любимо негово занимание става занимаването с електроника. В дома му все повече се появяват различни устройства и приспособления, конструирани от него. След края на войната Меер постъпва в технически колеж в Делфт със специалност „контролно-измервателни устройства“ и през 1952 г. го завършва с диплома на инженер. През същата година става сътрудник на Научно-изследователската лаборатория на фирмата „Филипс“ в Айндховен и участва в създаването на електронен микроскоп и високоволтово оборудване. През 1956 г. започва работа в Европейския център за ядрени изследвания – ЦЕРН, създаден две години преди това като консорциум на 13 европейски държави.

В ЦЕРН Меер работи първоначално над технически проект на ускорител на частици – протонен синхотрон (ПС). Проявявайки особен интерес към проблемите на управлението на снопчетата частици, Меер отделя няколко години за изобретяване на пулсиращо фокусиращо устройство, което нарича неутринен рог. Това устройство е предназначено да увеличава интензивността на потоците неутрино – елементарни частици, които нямат електрически заряд и са почти лишени от маса. Неутриното се излъчва редом с другите частици при такива реакции като бета-разпадането (излъчването на електрони) на радиоактивните ядра. През 1965 г. Меер проектира малък натрупващ пръстен – устройство, позволяващо с помощта на електромагнитни полета да се задържат заредени частици, като се заставят да се движат по кръг. Пръстенът се използва при експерименти за измерване на магнитните свойства на мюона – частица, аналогична на електрона, но много по-тежка и открита първоначално в космическите лъчи. Участието в този експеримент позволява на Меер да се запознае с принципите на проектиране на ускорители и с характерните особености на мисленето при физиците, работещи в областта на високите енергии. От 1967 до 1976 г. Меер отговаря за захранването на управляващите магнити на пресичащите се натрупващи пръстени на ЦЕРН и суперпротонния синхротрон (СПС). Пресичащите се натрупващи пръстени позволяват на частиците, например протоните, да циркулират в противоположни посоки по два различни пръстена. Там, където натрупващите пръстени се пресичат, се извършва сблъскване на насрещните снопчета.

През 1976 г. Меер става един от участниците в проекта, предложен от Карло Рубиа, Дейвид Клайн и Питър Макинтайър. Същността на проекта се свежда до превръщането на СПС в експериментална установка за откриване на хипотетичните W и Z частици (бозони), свързани с ядреното (силно) взаимодействие. Учените търсят тези частици вече няколко години. Тяхното откриване би имало решаващо значение за потвърждението на квантовата теория за полето.

Физиците различават четири фундаментални взаимодействия: гравитационно (привличането между масите, което държи заедно частите на Вселената), електромагнитно, свързващи атомните електрони с ядрото, атомите с атомите в молекулите и лежащо в основата на всички химични процеси, слабо взаимодействие, отговарящо за някои видове радиоактивност, например изпускането на бета-излъчване (електрони) и силно взаимодействие, удържащо в ядрото протоните, неутроните и другите субатомни частици, компенсирайки противодействащите сили, например взаимното отблъскване на плътно събраните протони. Според квантовата теория за полето взаимодействието се осъществява с обмяна на фундаментални частици, или кванти на полето. Бащата на квантовата теория Макс Планк открива през 1900 г., че енергията не се излъчва непрекъснато, а на дискретни порции, или кванти. През 1905 г. Алберт Айнщайн потвърждава квантовата теория, като доказва, че светлината, чиято вълнова природа се смята за общопризната в продължение на столетия, може да се проявява и като поток на отделни частици. Квантът светлина, както и квантът на всяко електромагнитно излъчване, получава названието фотон. Електромагнитното взаимодействие се осъществява с обмен на фотони. Енергията на фотона е пропорционална на честотата на излъчване.

Фотонът има нулева маса на покой, светлината или се движи, или не съществува. През 1935 г. японският физик Хидеки Юкава огласява хипотезата, че взаимодействието вътре в ядрото може да се пренася от кванти, които имат маса на покой, и изчислява предполагаемата им величина на 200 маси от електрона. През 1974 г. английският физик Сесил Ф. Поуел открива частицата на Юкава в извършващи се на голяма височина над Земята сблъсъци на космическите лъчи с атомни ядра. Тъй като аналогична, но по-лека частица е открита малко преди това на по-ниски височини, частицата на Юкава получава названието пи-мезон, или пион, а по леката частица започва да се нарича мю-мезон, или мюон. Пионът изпълнява ролята на преносител на силното взаимодействие, осъществявайки връзка между протоните и неутроните, а също така между едноименните частици вътре в ядрото (само протони или само неутрони).

Съществуването на четирите фундаментални взаимодействия не удовлетворява физиците. Правят се няколко опита да се създаде теория, обхващаща четирите взаимодействия в едно. През 1960 г. американският физик Шелдън Л. Глашоу предлага електрослабата теория, обединяваща електромагнитното и слабото взаимодействие. Теорията на Глашоу изисква съществуването на три частици от вида на бозоните (наречени така в чест на индийския физик Сатиендра Нат Бозе): положително заредена частица W+, отрицателно заредена частица W– и неутрална частица Z0. W частиците трябва да пренасят слабото взаимодействие, а всичките нови частици и фотона – електрослабото взаимодействие. Седем години по-късно американският физик Стивън Уайнбърг и пакисганскияьт физик Абдус Салам, независимо един от друг, предсказват, че W и Z частиците би трябвало да са десетки пъти по-тежки от всяка известна по-рано елементарна частица и да имат необичайно кратко време на съществуване.

Италианският физик Рубиа, който работи в ЦЕРН от 1960 г. и се занимава с търсене на W и Z частици в Националната ускорителна лаборатория „Ферми“, разположена до Чикаго, успява да убеди през 1979 г. ръководството на ЦЕРН да изгради СПС за подобни изследвания. Предполагаемата стойност на работата възлиза на 100 милиона долара.

Тъй като масите на W и Z частиците са големи, за наблюдаването им се изисква отделянето на огромно количество енергия. Еквивалентността на масата и енергията, изведена от теорията за относителността на Айнщайн, позволява да се оцени количеството на необходимата енергия. Получената оценка превъзхожда възможността на съществуващите ускорители на частици, по-специално защото при сблъскването на бързо движещите се частици не цялата енергия се изразходва за за образуването на нови частици. Рубиа и неговите колеги предлагат да се използва СПС като ускорител на протони и антипротони във вид на насрещно движещи се снопове – така наречения колайдер. Атипротоните са частици антиматерия, аналогични на протоните, те са частици двойници във всичко, освен в заряда, който при антипротоните е отрицателен. Първата антицастица – антиелектрона – е предсказана през 1928 г. от Пол А. Морис Дирак. Тя е открита от Карл Д. Андерсън през 1928 г. и получава названието позитрон. При сблъсъка на частиците с античастици те анихилират с отделяне на енергия във вид например на гама-излъчване. В преправения по проекта СПС протоните и антипротоните като частици с противоположен електрически заряд трябва да се въртят в противоположни посоки в едно и също магнитно поле вътре в един и същи пръстен. При сблъсъка на частиците в резултат от анихилацията би трябвало да се освобождава количеството енергия, необходимо за появата на W и Z частици.

Осъществяването на проекта се сблъсква с много трудности: възникват проблеми с натрупването на нужния брой антипротони в достатъчно интензивен сноп (частиците антиматерия се срещат крайно рядко) и с проектирането на детектор, позволяващ да се идентифицират частиците и да се определят техните характеристики.

Животът на самите частици е прекалено кратък, за да могат да бъдат наблюдавани непосредствено, но продуктите от тяхното разпадане са в състояние да дадат ценни „показания“ за всичко, което произтича. Един от продуктите на разпадането би трябвало да е изплъзващото се от експериментаторите неутрино, чиито необичайни свойства, сред които липсата на заряд и маса, изключват почти напълно всякакво взаимодействие с веществото, необходимо за работата на всеки детектор. До извода за съществуването на неутриното физиците достигат, сумирайки енергията и импулса на другите продукти на разпадането по всички направления и определяйки недостигащите енергия и импулс. Рубиа и повече от сто други учени изграждат сложна 1200-тонна детекторна камера. Друга група, по-малка, създава 200-тонен детектор за потвърждаване на получените резултати. Меер успява да реши проблема за осигуряване на антипротони с помощта на специален натрупващ пръстен.

За да се получат антипротони, неподвижна медна мишена се бомбардира с протони, ускорени до високи енергии в стария ПС. Получените антипротони отиват в натрупващия пръстен. Натрупаните в пръстена антипротони се въвеждат в ПС за предварително ускорение, а след това отиват в СПС, където е въведена и предварително ускорена група протони, също подадени от ПС. Протоните и антипротоните се ускоряват окончателно до енергии от порядъка на 300 милиарда електронволта. СПС се превръща в гигантски натрупващ пръстен с диаметър четири мили, в който частиците и античастиците, разделени на групи, циркулират в противоположни посоки и се сблъскват в шест строго определени точки. В две от тези точки са поставени детекторите.

Ключов момент в създаването на успешно натрупване на антипротони е реализацията на предложеното от Меер така наречено стохастично охлаждане. Трябва да се приемат подадените антипротони, да се свият до плътен тесен импулс и да се присъединят към все по-многобройното „ято“ протони, летящи по осевата линия на изпомпена до дълбок вакуум камера за натрупване. Образуваният облак антипротони трябва да се запази така, че да не се окаже на пътя на поток от нови концентрирани протони. Сложната управляваща система включва в себе си редица електроди датчици, следящи за изместването на орбитите на частиците и изпращането на подходящо усилени сигнали към електродите, разположени отпред, чиито коригиращи "тласъци" фокусират траекторията в по-тънък сноп, когато групата частици се оказва в точките за корекция. Други тласъци променят скоростите на компресираните снопове, така че те се комбинират с натрупаните. В този случай охлаждането се разбира като намаляване на скоростите на частиците една спрямо друга. Стохастичността предполага случайност, неизбежна в случаите, когато трябва да се справим с голям брой частици. Меер казва по-късно, че "процес с такава сложност не би могъл да бъде преодолян, ако не са усилията и отдадеността на няколкостотин души."

Сблъсъците на протони и антипротони, извършващи 50 000 оборота в секунда по протежение на пръстен с обиколка повече от 12,5 мили, правят възможно постигането на рекордни за онези времена енергии. Колайдерът е пуснат в експлоатация през 1982 г., а откриването на частиците W+ и W– е обявено през януари 1983 г. Няколко месеца по-късно идва съобщението за откриването на по-неуловимата Z частица.

Експерименталното откриване на квантите на слабото взаимодействие е прието с ентусиазъм от целия свят като едно от най-важните постижения във физиката на ХХ век. Откриването на W и Z частиците позволява да се обясни защо Слънцето не прегрява и не изгаря целия живот на Земята, прави така наречената теория за "големия взрив" в космологията по-убедителна, доближава науката до възможната реализация на мечтата на Айнщайн, макар и в модифицирана форма, а именно - създаването на единна теория на полето, обхващаща всичките четири фундаментални взаимодействия в природата. Меер продължава да проектира и изгражда в ЦЕРН пръстени за натрупване с все по-напреднал дизайн.

Меер се жени през 1966 г. за Катарине М. Купман. Семейството има син и дъщеря. Ученият е заклет скиор и турист, обича в свободното си време да чете художествена литература.

Меер е избран за почетен доктор от университетите в Женева, Амстердам и Генуа, награден е с медал от Лондонския институт по физика (1982 г.). Член на Кралската нидерландска академия на науките и на Американската академия на науките и изкуствата.

Превод от руски: Павел Б. Николов