211service.com
Revolutionen som skakade partikelfysik
Burton Richter '52, PhD '56, gillar att beskriva sin Nobelprisvinnande upptäckt med ett barnrim:
Sam Ting med sitt team vid Brookhaven National Laboratory 1974.
Igår på trappan träffade jag en man som inte var där. Han var inte där idag igen. Jag önskar att han skulle gå bort.
Det var 1974, bara två år efter att Richter och hans team vid Stanford Linear Accelerator Laboratory hade byggt klart en ny partikelkolliderare som de kallade SPEAR. Maskinen på 6 miljoner dollar accelererade elektroner och positroner genom en magnetslinga med en diameter på 80 meter och slog samman dem till en skur av partikelskräp för att analysera. Richter letade inte efter en ny partikel, men där var den - en hög, smal topp i data som indikerar en tung partikel med en ovanligt lång livslängd. Så lång, i själva verket - sju zeptosekunder, eller ungefär 7 000 biljondelar av en sekund - att det trotsade fysikernas förståelse av fundamentala partiklar.
Först trodde Richter och andra att något var fel med utrustningen, men de insåg snart att de hade en upptäckt på sina händer. Ingen förväntade sig vad vi hittade. Ingen. Det kom som en fullständig överraskning, säger Richter, som först fastnade för partikelfysik efter att ha arbetat i MIT:s synkrotronlaboratorium under sitt första år på forskarskolan.
Kanske lika överraskande att ett lag på motsatta sidan av landet samtidigt hittade samma sak. Vid Brookhaven National Laboratory ledde MIT-professorn Sam Ting ett experiment som på ett sätt var motsatsen till Richters. Istället för att förinta elektroner och positroner, krossade Tings grupp protoner till ett fast mål av beryllium för att producera tunga partiklar som sedan skulle sönderfalla till elektroner och positroner. Av en slump hade de två grupperna ställt in sina acceleratorer på samma energiområde och snubblat på samma ovanliga topp i sina data.
Ulrich Becker, docent vid MIT vid den tiden, spelade en central roll i Brookhaven-upptäckten. Nu professor emeritus har han fortfarande den ursprungliga, handritade grafen på sitt kontor, som visar den oväntade toppen. Becker säger att även om hans grupp hoppades hitta tunga partiklar, blev de också chockade över att hitta en med så lång livslängd. Vi hade ingen aning om varför i helvete det här var, säger han. Vi var mycket misstänksamma mot det, men eftersom det var så tydligt fanns det väldigt lite utrymme för tvivel.
I november samma år flög Ting till Stanford för ett administrativt möte och korsades vägar med Richter.
Sam sa: 'Burt, jag har något spännande att berätta för dig', minns Richter, och jag sa: 'Sam, jag har något spännande att berätta du .'
När de två forskarna insåg att deras team hade gjort samma upptäckt anordnade de ett labbseminarium och presenterade sina resultat den dagen. Inom en månad publicerade grupperna papper i rygg mot rygg Fysiska granskningsbrev . Tings grupp kallade den nya partikeln J, och Richters grupp kallade den Ψ (psi).
Det som var så förvånande med partikeln var att den varade ungefär tusen gånger längre än fysiker skulle ha förutspått vid den tiden, vilket betyder att det var något med den som fysiker aldrig hade stött på tidigare, åtminstone inte i labbet.
Cirka 10 år tidigare hade teoretiker introducerat begreppet kvarkar - fundamentala partiklar (och motsvarande antipartiklar) som binder samman för att bilda andra partiklar, som protoner och neutroner. År 1974 hade experimentalister hittat bevis för tre typer av kvarkar - upp, ner och konstiga. Men en föreslagen fjärde kvark, charm, förblev svårfångad.
I början av 1975 åkte Becker till Tyskland för att hålla ett föredrag om den nya partikeln. Närvarande var Werner Heisenberg, den teoretiska fysikern känd för sitt arbete med kvantmekanik. Vid ett tillfälle avbröt Heisenberg Becker: Han sa: 'När de inte vet vad det är, uppfinner de en ny kvarg', minns Becker. Jag blev verkligen förbluffad. Jag sa till honom, 'Titta, professor Heisenberg, jag bråkar inte om det här är charm eller inte charm. Jag säger dig att det är en partikel som inte försvinner.’ Död tystnad. Det blev väldigt kallt i rummet. Då sa Heisenberg: 'Accepterat.'
Fysiker kom snart överens om att partikeln, senare kallad J/Ψ, bestod av en charmkvark och en anticharmkvark.
Nu kallad novemberrevolutionen tog J/Ψ-upptäckten stallen av fundamentala partiklar från ett oordnat menageri till något strukturerat och förutsägbart, beskrivet av vad fysiker kallade Standardmodellen. Ting och Richter vann Nobelpriser 1976.
Vad många människor har försökt göra sedan dess är att hitta det som är bortom den nuvarande standardmodellen, säger Richter. Hittills har den varit ogenomtränglig för alla attacker.