211service.com
Revolutionen, der rystede partikelfysikken
Burton Richter ’52, PhD ’56, kan lide at beskrive sin Nobelprisvindende opdagelse med et børnerim:
Sam Ting med sit hold på Brookhaven National Laboratory i 1974.
I går på trappen mødte jeg en mand, der ikke var der. Han var der ikke igen i dag. Jeg ville ønske, at han ville gå væk.
Det var 1974, kun to år efter, at Richter og hans team ved Stanford Linear Accelerator Laboratory var færdige med at bygge en ny partikelkollider, de kaldte SPEAR. Maskinen til $6 millioner accelererede elektroner og positroner gennem en løkke af magneter på 80 meter i diameter og smadrede dem sammen til en byge af partikelaffald for at analysere. Richter ledte ikke efter en ny partikel, men der var den - en høj, smal top i dataene, der indikerer en tung partikel med en usædvanlig lang levetid. Faktisk så lang tid - syv zeptosekunder eller omkring 7.000 billiontedele af et sekund - at det trodsede fysikeres forståelse af fundamentale partikler.
Først troede Richter og andre, at der var noget galt med udstyret, men de indså hurtigt, at de havde en opdagelse på deres hænder. Ingen forventede, hvad vi fandt. Ingen. Det kom som en komplet overraskelse, siger Richter, der først blev hooked på partikelfysik efter at have arbejdet i MITs synkrotronlaboratorium i løbet af sit første år på kandidatskolen.
Måske lige så overraskende fandt et hold på den modsatte side af landet det samme. På Brookhaven National Laboratory ledede MIT-professor Sam Ting et eksperiment, der på en måde var det modsatte af Richters. I stedet for at udslette elektroner og positroner, knuste Tings gruppe protoner til et fast mål af beryllium for at producere tunge partikler, der derefter ville henfalde til elektroner og positroner. Tilfældigvis havde de to grupper sat deres acceleratorer til det samme energiområde og faldt over den samme usædvanlige top i deres data.
Ulrich Becker, en lektor ved MIT på det tidspunkt, spillede en central rolle i Brookhaven-opdagelsen. Nu professor emeritus, har han stadig den originale, håndtegnede graf på sit kontor, der viser det uventede højdepunkt. Becker siger, at selvom hans gruppe håbede på at finde tunge partikler, var de også chokerede over at finde en med så lang levetid. Vi anede ikke, hvorfor fanden det her var, siger han. Vi var meget mistænksomme over for det, men da det var så tydeligt, var der meget lidt plads til tvivl.
I november samme år fløj Ting til Stanford for et administrativt møde og krydsede veje med Richter.
Sam sagde: 'Burt, jeg har noget spændende at fortælle dig,' husker Richter, og jeg sagde: 'Sam, jeg har noget spændende at fortælle du .'
Da de to forskere indså, at deres hold havde gjort den samme opdagelse, organiserede de et laboratorieseminar og præsenterede deres resultater den dag. Inden for en måned udgav grupperne ryg-til-ryg-papirer i Fysiske anmeldelsesbreve . Tings gruppe kaldte den nye partikel J, og Richters gruppe kaldte den Ψ (psi).
Det, der var så overraskende ved partiklen, var, at den varede omkring tusind gange længere, end fysikere ville have forudsagt på det tidspunkt, hvilket betyder, at der var noget ved den, som fysikere aldrig havde mødt før, i hvert fald ikke i laboratoriet.
Omkring 10 år tidligere havde teoretikere introduceret begrebet kvarker - fundamentale partikler (og tilsvarende antipartikler), der binder sig sammen for at danne andre partikler, såsom protoner og neutroner. I 1974 havde eksperimentalister fundet beviser for tre typer kvarker - op, ned og mærkelige. Men en foreslået fjerde kvark, charme, forblev uhåndgribelig.
I begyndelsen af 1975 tog Becker til Tyskland for at holde en tale om den nye partikel. Til stede var Werner Heisenberg, den teoretiske fysiker berømt for sit arbejde med kvantemekanik. På et tidspunkt afbrød Heisenberg Becker: Han sagde: 'Når de ikke ved, hvad det er, opfinder de en ny kvark,' husker Becker. Jeg var virkelig forbløffet. Jeg sagde til ham: 'Se, professor Heisenberg, jeg diskuterer ikke, om det her er charme eller ej. Jeg siger dig, at det er en partikel, som ikke forsvinder.’ Dødsstil. Det blev meget koldt i lokalet. Så sagde Heisenberg: 'Accepteret.'
Fysikere blev hurtigt enige om, at partiklen, senere kaldet J/Ψ, bestod af en charmekvark og en anticharmekvark.
Nu omtales som novemberrevolutionen, tog J/Ψ-opdagelsen stalden af fundamentale partikler fra et uordnet menageri til noget struktureret og forudsigeligt, beskrevet af det, fysikere kaldte standardmodellen. Ting og Richter vandt Nobelpriser i 1976.
Hvad mange mennesker har forsøgt at gøre lige siden, er at finde, hvad der er hinsides den nuværende standardmodel, siger Richter. Indtil videre har den stået uimodtagelig over for alle angreb.