Симон ван дер Заходів

Фотографія Симон ван дер Заходів (photo Simon van der Mer)

Simon van der Mer

  • День народження: 24.11.1925 року
  • Вік: 85 років
  • Місце народження: Гаага, Нідерланди
  • Дата смерті: 04.03.2011 року
  • Громадянство: Нідерланди

Біографія

Голландський фізик і інженер Симон ван дер Заходів народився в Гаазі. Третій з чотирьох дітей, він був єдиним сином шкільного вчителя Пітера ван дер Міра і уродженої Йетске Гренефельд. Батьки високо цінували вченість і ціною матеріальних жертв дали дітям добру освіту. М. навчався в місцевій гімназії і здав випускні іспити в 1943 р., коли Голландія була окупована німцями під час другої світової війни. Так як німці закрили голландські університети, М. ще два роки вивчав гуманітарні дисципліни в гімназії. Але його інтерес до фізики та техніки невпинно зростав. Улюбленим його заняттям стало возитися з електронікою. В будинку ван дер Меров з кожним днем ставало все більше різних пристроїв і пристосувань, сконструйованих ним. По закінченні війни М. вступив в технічний коледж у Делфті на спеціальність «контрольно-вимірювальні пристрої» і в 1952 р. закінчив його з дипломом інженера. У тому ж році М. став співробітником Науково-дослідної лабораторії фірми «Філіпс» в Ейндховені і взяв участь у створенні електронного мікроскопа і високовольтного устаткування. 1956 р. він перейшов на роботу в Європейський центр ядерних досліджень ЦЕРН, утворений двома роками раніше, як консорціум 13 європейських країн.

В Церні М. спочатку працював над технічним проектом прискорювача частинок – протонного синхротрона (ПС). Проявивши особливий інтерес до проблем керування пучками частинок, М. витратив декілька років на винахід пульсуючого фокусуючого пристрою, яке він назвав нейтринным рогом. Це пристрій призначався для збільшення інтенсивності потоків нейтрино – частинок, що не мають електричного заряду і майже позбавлених маси. Нейтрино випускаються поряд з іншими частками в таких реакціях, як бета-розпад (випускання електронів) радіоактивних ядер. У 1965 р. М. спроектував невелике накопичувальне кільце – пристрій, що дозволяє з допомогою електромагнітних полів утримувати заряджені частинки, змушуючи їх циркулювати по кільцю. Воно використовувалося в експериментах з вимірювання магнітних властивостей мюона – частинки, аналогічної електрону, але набагато більш важкою, яка була спочатку виявлена в космічних променях. Участь у цьому експерименті дозволило М. познайомитися з принципами проектування прискорювачів і характерними особливостями мислення фізиків, що працюють в області високих енергій. З 1967 по 1976 р. М. відповідав за харчування керуючих магнітів пересічних накопичувальних кілець ЦЕРН і суперпротонного синхротрона (УПС) на 400 млрд. електрон-вольт. Пересічні накопичувальні кільця дозволяють часткам, наприклад протонам, циркулювати в протилежних напрямках по двом різним кілець. Там, де накопичувальні кільця перетинаються, відбувається зіткнення зустрічних пучків.

У 1976 р. М. увійшов в число учасників проекту, запропонованого Карло Руббіа, Девідом Клейн і Пітером Макинтайром Суть проекту зводилася до перетворення УПС в експериментальну установку для виявлення гіпотетичних W — і Z-частинок (бозонів), пов’язаних з ядерною (сильним) взаємодією. Пошук цих частинок вчені вели протягом багатьох років. Їх виявлення мало б вирішальне значення для підтвердження квантових теорій поля.

Фізики розрізняють чотири фундаментальні взаємодії гравітаційне (тяжіння між масами, воно утримує разом частині Всесвіту), електромагнітне, що зв’язує атомні електрони з ядром, атоми з атомами в молекулах і лежить в основі всіх хімічних процесів, слабка взаємодія, відповідальна за деякі типи радіоактивності, наприклад випущення бета-випромінювання (електронів), і сильна взаємодія, що утримує в ядрі протони, нейтрони та інші субатомні частинки, компенсуючи протидіючі сили, наприклад взаємне відштовхування щільно упакованих протонів. Згідно квантової теорії поля, взаємодія здійснюється шляхом обміну фундаментальними частками, або квантами поля. Батько квантової теорії Макс Планк виявив у 1900 р., що енергія випромінюється не безупинно, а дискретними порціями, або квантами. У 1905 році Альберт Ейнштейн підтвердив квантову теорію, довівши, що світло, хвильова природа якого вважалась загальновизнаною протягом століть, може діяти і як потік окремих частинок. Квант світла, як і будь-якого квант електромагнітного випромінювання, отримав назву фотона. Електромагнітне взаємодія здійснюється за допомогою обміну фотонами. Енергія фотона пропорційна частоті випромінювання.

У фотона нульова маса спокою світло або рухається, або не існує. У 1935 році японський фізик Хідекі Юкава висунув гіпотезу про те, що внутриядерное взаємодія може переноситися квантами, що мають масу спокою, і обчислить її ймовірну величину близько 200 мас електрона. У 1947 р. англійський фізик Сесіл Ф. Пауелл виявив частку Юкави у відбуваються на великій висоті над Землею зіткненнях космічних променів з ядрами. Так як аналогічна, але більш легка частинка була знайдена кілька раніше на малих висотах, частка Юкави отримала назву пі-мезона, або півонії, а більш легка частинка стала називатися мю-мезоном, або мюоном. Півонія грає роль переносника сильної взаємодії, здійснюючи зв’язок між протонами і нейтронами, а також між однойменними внутриядерными частками (тільки протонами або тільки нейтронами).

Існування чотирьох фундаментальних взаємодій не задовольняла фізиків. Було зроблено кілька спроб створити теорію, яка охоплює всі чотири взаємодії в межах єдиного підходу. У 1960 р. американський фізик Шелдон Л. Глэшоу запропонував электрослабую теорію, що поєднує електромагнітне і слабке взаємодії. Теорія Глэшоу вимагала існування трьох частинок з класу бозонів (названих в честь індійського фізика Сатъендраната Бозі): позитивно зарядженої W+-частинки, негативно зарядженої W—частинки і нейтральної Z0-частинки. Частинки W повинні служити переносниками слабкої взаємодії, а всі три нові частинки і фотон – електрослабкої взаємодії. Сім років тому американський фізик Стівен Вайнберг і пакистанський фізик Абдус Салам незалежно один від одного передбачили, що W — і Z-частинки повинні бути в десятки разів важче будь-раніше відомої елементарної частинки і мати надзвичайно короткий час життя (менше 10-18 секунд).

Італійському фізику Руббіа, який працював у ЦЕРН з 1960 р. і який займався пошуком W — і Z-частинок у Національної прискорювальної лабораторії імені Фермі, розташованій поблизу Чикаго, в 1979 р. вдалося переконати керівництво ЦЕРН перебудувати СПС для подібних досліджень. Передбачувана вартість робіт становила 100 млн. доларів.

Оскільки маси W — і Z-частинок великі, для спостереження їх потрібно виділення величезної кількості енергії. Еквівалентність маси і енергії, що виводиться з теорії відносності Ейнштейна, дозволяє оцінити кількість необхідної енергії. Отримана оцінка перевершувала можливості існуючих прискорювачів частинок, зокрема, тому, що при зіткненнях швидко рухомих частинок не вся енергія витрачається на утворення нових частинок. Руббіа і його колеги запропонували використовувати СПС як протон-антипротонний прискорювач на зустрічних пучках – колайдер. Антипротоны – це частинки антиматерії, аналогічні протонів, тобто частинки-двійники у всьому, крім заряду, який у них негативний. Існування першої античастки – антиэлектрона – передбачив у 1928 р. Поль А. Моріс Дірак. Вона була виявлена експериментально Карлом Д. Андерсоном в 1932 р. і отримала назву позитрона. При зіткненні частинки і античастки вони анігілюють з виділенням енергії у вигляді, наприклад, гамма-випромінювання. У переробленому за запропонованим проектом СПС протони і антипротоны як частинки з протилежними електричним зарядами зверталися б у протилежних напрямках в одному і тому ж магнітному полі всередині одного і того ж кільця. При зіткненні частинок в результаті анігіляції вивільнялося б кількість енергії, необхідна для народження W-і Z-частинок.

Здійснення проекту зіткнулося з багатьма труднощами: виникли проблеми з накопиченням потрібного числа антипротонів в досить інтенсивному пучку (частинки антиматерії зустрічаються вкрай рідко) і з проектуванням детектора, що дозволяє ідентифікувати частинки і визначати їх характеристики. Життя самих частинок занадто коротке для того, щоб їх можна було спостерігати безпосередньо, але продукти їх розпаду можуть дати цінні «свідчення» про усьому, що відбувалося. Одним із продуктів розпаду повинно було бути ускользающее від експериментаторів нейтрино, незвичайні властивості якого, в тому числі відсутність заряду й маси, майже повністю виключають всяке взаємодія з речовиною, необхідне для спрацювання будь детектора. До висновку про існування нейтрино фізика приходять, підсумовуючи енергію і імпульс інших продуктів розпаду за всіма напрямами і визначаючи відсутні енергію і імпульс. Руббіа і більше ста інших вчених побудували складну 1200-тонну детекторну камеру. Інша група – менший, 200-тонний детектор для підтвердження отриманих результатів М. вдалося вирішити проблему підведення антипротонів з допомогою спеціального накопичувального кільця.

Для отримання антипротонів нерухома мідна мішень бомбардировалась згустками протонів, розігнаних до високих енергій на старому ПС. Народжені антипротоны надходили у вигляді сплесків швидкій послідовності в накопичувальне кільце. Накопичені в кільці приблизно за добу антипротоны инжектировались в ПС для попереднього прискорення, а звідти надходили в СПС, куди надходила попередньо експрес група протонів, також виведена з ПС. Протони і антипротоны остаточно розганялися до енергій порядку 300 млрд. електрон-вольт СПС перетворювався в гігантське накопичувальне кільце діаметром 4 милі, в якому частинки і античастки, розділені на три групи, циркулювали в протилежних напрямках стикалися і «в лоб» в шести строго визначених точках. У двох з цих точок були розміщені детектори.

Ключовим моментом у створенні успішно діючого накопичувача антипротонів була реалізація запропонованого М. так званого стохастичного охолодження. Потрібно було взяти кожен згусток інжектованих антипротонів, стиснути його в щільний вузький імпульс і приєднати до все більш численною «зграї» антипротонів, літаючої по осьовій лінії откаченной до глибокого вакууму камери накопичувача. Утворилася хмара антипротонів необхідно було зберігати так, щоб воно не виявилося на шляху потоку нових згустків. Складна керуюча система включала в себе ряд пікап-електродів (електродів-датчиків), що стежили за зміщенням орбіт частинок і посылавших посилені належним чином сигнали на розташовані попереду електроди, які коригуючими «поштовхами» фокусували траєкторію в більш тонкий пучок, коли згусток частинок опинявся в точках коригування. Інші поштовхи змінювали швидкості стислих згустків так, щоб вони возз’єднувалися з накопиченими. Під охолодженням в даному випадку розуміється зменшення швидкостей частинок відносно один одного. Стохастичность передбачає випадковість, неминучу в тих випадках, коли доводиться мати справу з великим числом частинок М. говорив згодом, що «процес такої складності неможливо було б подолати, якби не зусилля і самовідданість кількох сотень людей».

Зіткнення протонів і антипротонів, що здійснюють 50 000 оборотів в секунду по кільцю з довжиною кола понад 12,5 милі, дозволяли досягти рекордних по тим часам енергій. Коллайдер був введений в дію в 1982 р., а про відкриття W+ W—частинок було оголошено вже в січні 1983 р. А ще через кілька місяців надійшло повідомлення про виявлення більше невловимої Z-частинки.

М. і Руббіа була присуджена Нобелівська премія з фізики 1984 р. «за вирішальний внесок у великий проект, здійснення якого призвело до відкриття польових частинок W-і Z, переносників слабкої взаємодії». Експериментальне відкриття квантів слабкої взаємодії було з ентузіазмом сприйнято в усьому світі як одне з найбільш важливих досягнень у фізиці XX ст. Відкриття W — і Z-частинок дозволило пояснити, чому Сонце не перегрівається і не спопеляє все живе на Землі, зробило більш доказової так звану теорію «великого вибуху» в космології, наблизило науку до можливої реалізації мрії Ейнштейна, правда у видозміненому вигляді створення єдиної польової теорії, що охоплює всі чотири фундаментальні взаємодії в природі М. продовжує проектувати і будувати в ЦЕРН накопичувальні кільця все більш досконалих конструкцій.

М. з 1966 р. одружений на Катаріні М. Купман. У них народилися син і дочка. Він завзятий лижник і турист, любить на дозвіллі читати художню літературу.

М. обраний почесним доктором університетів Женеви, Амстердама і Генуї, нагороджений медаллю Дадделла і премією Лондонського фізичного інституту (1982). Він складається членом нідерландської Королівської академії наук, Американської академії наук і мистецтв.