MONEOVA KATEDRALA, ILI TRINAEST NAČINA DA GLEDAMO PROTON

     Kako koristimo te čestice? Jednostavno rečeno, namestimo im da se sudare. Pošto je ovo najvažniji način sticanja znanja o materiji i energiji, zaslužuje da se pogleda malo pobliže. Sasvim je u redu da zaboravite sve one pojedinosti o mašineriji i o načinu ubrzavanja (mada su to baš zanimljive stvari, zar ne?), ali ovaj deo zapamtite svakako. Jedini smisao postojanja akceleratora jeste sudar.
     Tehnika kojom se služimo da bismo opazili, a jednog dana i shvatili apstraktni subnuklearni vilajet slična je načinu na koji opažamo i shvatamo i bilo šta drugo na svetu - neko drvo, recimo. Kako ide taj proces? Prvo nam je potrebna svetlost. Hajde da iskoristimo Sunčevu svetlost. Iz Sunca fotoni dopiru u bujicama, zapljuskuju to drvo, odbijaju se od lišća i kore, grančica i grana; neki deo od te ukupne količine fotona dospeva u naše oko. Možemo to isto reći i na ovaj način: fotoni udaraju u objekat, rasipaju se i lete (neki od njih) ka detektoru. Mi imamo očnu jabučicu, a u njoj se nalazi očno sočivo. Ono dovodi i žižu svetlost i baca izoštrenu sliku na mrežnjaču koja se nalazi duboko unutra, u oku. Mrežnjača otkrije fotone i klasifikuje njihove odlike koje opazi: boju, nijansu, jačinu osvetljenja. Onda te informacije budu organizovane i poslate jednom procesoru koji je već uključen i spremno čeka, a to je ocipitalni režanj mozga, specijalizovan za obradu vizuelnih podataka. Posle nekog vremena, taj procesor dolazi do zaključka: "Gle, drvo. Baš je lepo."
     Informacije mogu u oko da stižu i filtrirane - recimo, kroz obične naočari ili kroz naočari za Sunce; to će povećati distorziju koje se već događa zbog osobina samog oka. Mozak ima dužnost da ispravlja nastala izobličenja. Hajde da zamenimo oko kamerom. Nedelju dana kasnije, ako želimo još veći stepen apstrakcije, možemo namestiti da ta kamera ne gleda stvarno, živo drvo, nego samo sliku drveta - neko u porodici je svojevremeno fotografisao to drvo, napravljen je slajd, i sad možemo pomoću projektora za slajdove da bacamo sliku drveta na neki zastor. Postoji i drugi način: snimamo drvo video-kamerom, koja hvata fotone i pretvara dobijene svetlosne informacije u mlaz elektronskih digitalnih informacija: u duge nizove nula i jedinica. Posle ovo pustimo pomoću video-rekordera na naš TV i, gle, na ekranu je slika drveta. Ako bismo želeli da pošaljemo 'drvo' našim kolegama, naučnicima na planeti Agizizi, možda bismo poslali samo digitalnu informaciju, ne još pretvorenu u analognu; pa ipak, i tako, oni tamo bi primili, krajnje tačno, konfiguraciju za koju Zemljani kažu da je drvo.
     Naravno, u akceleratoru nije tako jednostavno. Različite čestice koriste se na različite načine. Pa ipak, ovu alegoriju sa gledanjem drveta možemo, u našem razgovoru o nuklearnim sudarima i o rasipanju, izgurati još jedan korak dalje. To drvo ne izgleda isto ujutro, u podne i pri zalasku Sunca. Francuski slikar Mone (Monet) načinio je brojne slike ulaza u katedralu u Ruanu u razna doba dana; ko god ih je video, zna koliku razliku čini drugačiji kvalitet svetla. Šta je tu istina? Za umetnika, katedrala ima mnogo istina. Svaka od tih istina svetluca svojom stvarnošću - magličasta svetlost ranog jutra, drastični kontrasti svetlosti i senke na podnevnom, jakom suncu, ili bogato žarenje poznog popodneva. Pri svakom od tih osvetljenja pokaže se neki drugi, drugačiji vid istine. E, pa, i fizičari rade tako. Nama su potrebne sve informacije koje možemo da dobijemo. Umetnik upotrebljava Sunčev sjaj, koji se stalno menja. Mi obasipamo predmet različitim česticama: mlazevima elektrona, mlazevima muona ili neutrina - a njihove energije stalno menjamo.
     Evo kako to radi.
     O sudaru znamo dve stvari - naime, šta u sudar ulazi i šta iz sudara izlazi. I još - kako izlazi. Šta se desi u onoj majušnoj zapremini, u maleckom delu prostora, gde bude, baš, sam sudar? To ne možemo videti. Istina je takva da izludiš: ne možemo videti! Kao da se sudar odigrava unutar neke zatvorene crne kutijice. Unutrašnje mehaničke pojedinosti samog sudara nisu dostupne posmatranju i merenju; a vrlo ih je teško, ako ne i nemoguće, čak i dočarati u mašti, zamisliti njihov "izgled". Tako vam je to u sablasnom, treperavom svetu kvanta. Raspolažemo modelom za razumevanje sila koje stupaju u međusobnu igru. U nekim slučajevima, tamo gde ima osnova, nastojimo da dočaramo sebi i neku strukturu predmeta (čestica) koji se sudaraju. Vidimo šta ulazi i šta, posle sudara, izlazi. Postavljamo pitanje da li dobijeni rezultati mogu biti predskazani pomoću našeg modela onoga što je u 'crnoj kutijici'.
     U našem obrazovnom programu za decu od deset godina, mi u Fermilabu postavljamo pred mališane sledeći problem. Damo im jednu praznu kockastu kutiju da je razgledaju, tresu, mere. Onda stavimo u kutiju nešto, na primer blok drveta ili tri čelične kuglice. Ponovo zatražimo od đaka da kutiju mere, drmaju, naginju, osluškuju i da nam na osnovu toga kažu sve što mogu o predmetima koji su unutra: o veličini tih predmeta, obliku, težini...To je dobra metafora za ono što stvarno radimo u našim opitima rasipanja čestica. Iznenadili biste se koliko često deca pogode istinu o onome unutra.
     Prebacujemo se sad na odrasle i na čestice. Pretpostavimo da želimo saznati koliko je veliki poluprečnik protona. Pozajmimo fazon od slikara Monea. Gledaćemo proton pomoću raznih vrsta 'svetlosti'. Možda bi protoni mogli biti tačke? Da bi ovo ustanovili, fizičari gađaju protone drugim protonima, i to vrlo niske energije, da bi proučili elektromagnetne sile između ova dva naelektrisanja. Kulonov zakon kaže da se elektromagnetna sila proteže do beskonačnosti, ali postaje sve slabija sa kvadratom razdaljine. Proton koji je namešten da bude meta, a isto tako i onaj ubrzani proton koji juri ka njemu, oba su, naravno, pozitivno naelektrisana, pa pošto se plus i plus odbijaju, ovaj koji stoji na meti vrlo spremno odbije uljeza od sebe. Ubrzani proton ne stigne ni blizu. Pod tom vrstom 'svetlosti', proton, zaista, izgleda kao tačka, i to tačka naelektrisanja. Zato počnemo da povećavamo energiju napadača, ubrzanih protona. Sada odstupanja u obrascu rasejanja protona nagoveštavaju da neki brži protoni uspevaju da se probiju vrlo duboko i dodirnu takozvanu jaku silu, za koju sada znamo da održava protonove sastavne delove na okupu. Jaka sila je sto puta jača od Kulonove električne sile, ali se razlikuje od nje po domašaju, koji ni u kom slučaju nije beskonačan; naprotiv. Jaka sila domašuje na otprilike 10-13 centimetara, a onda brzo opada na nulu.
     Pojačavajući energiju sudara, uspevamo da 'iskopamo' sve više i više podataka o jakoj sili. Protoni imaju talasnu dužinu (pamtimo De Broljija i Šredingera). Što im je veća energija, manja im je talasna dužina. A što je kraća talasna dužina, utoliko se više pojedinosti može razaznati o čestici koju proučavamo.
     Neke od najboljih 'slika' protona načinio je pedesetih godina ovog veka Robert Hofštater (Robert Hofstadter) na Stenfordskom univerzitetu. On je kao 'svetlost' za gledanje protona upotrebio mlazeve elektrona, a ne drugih protona. Hofštaterova ekipa usmeravala je dobro organizovan zrak elektrona koji su nosili svaki po, recimo, 800 MeV energije na jednu malu posudu sa tečnim vodonikom. Elektroni su bombardovali protone u vodoniku i izletali iz posude rasipajući se - dakle, menjao im se pravac kretanja. To su raderfordovska posla. Za razliku od protona, elektron ne reaguje na jaku nuklearnu silu. Reaguje samo na električni naboj u protonu. Zato su naučnici na Stenfordu bili u mogućnosti da ispitaju oblik raspodele naelektrisanja u protonu. U suštini, to je otkrilo i veličinu protona. Bilo je jasno da proton nije tačka. Izmeren je prečnik od 2,8 x 10-13 cm, s tim što je naelektrisanje bilo nagomilano naročito u središtu, a opadalo je prema rubovima te stvari koju nazivamo 'proton'. Slični rezultati dobijeni su kad su opiti ponovljeni sa muonskim zracima, koji takođe prenebregavaju jaku silu. Hofštater je 1961. dobio Nobelovu nagradu za ovu 'fotografiju' protona.
     Negde oko 1968. godine, fizičari u stenfordskom centru za linearnu akceleraciju (skraćeno SLAC) bombardovali su protone elektronima mnogo veće energije - od 8 do 15 GeV - i dobili potpuno drugačije slike rasipanja. Obasjan pomoću te tvrde svetlosti, proton je pokazao sasvim drugačiju sliku. Hofštaterovi srazmerno slabi elektroni dali su samo mutnu sliku, sticao se utisak da je proton kašasta loptica u kojoj je naelektrisanje otprilike ravnomerno raspoređeno na pomenuti način. SLAC-ovi elektroni zadirali su mnogo oštrije i pronašli neke male momke koji trče okolo, unutar protona. Bio je to prvi pokazatelj da kvarkovi stvarno postoje. Novi podaci i stari podaci uklapali su se tačno - kao i Moneove jutarnje i večernje slike - s tom razlikom što su oni na niskim energijama otkrivali samo prosečnu raspodelu naelektrisanja. Vizuelizacija koju smo dobili tek sa elektronima mnogo jačim (sa mnogo više energije) pokazala je da proton sadrži tri sastavna delića koji se veoma brzo kreću i da svaki od ta tri izgleda kao tačka. Zašto je SLAC-ov opit pokazao ove pojedinosti, a Hofštaterova studija nije? Kad elektron uleti sa dovoljno visokom energijom u sudar, kvarkovi zastanu u mestu, kao da su 'zakucani', a elektron koji je na njih naleteo oseti dejstvo sile tačkastog izvora; sve to zaključujemo isključivo na osnovu znanja šta je ušlo u sudar, a šta je iz sudara izišlo. Još jednom izvlačimo korist iz kratkoće kratkih talasa. Tačkasta sila izaziva veliku promenu energije elektrona i baca ga pod nekim jakim uglom u stranu. (Pamtimo Raderforda i jezgro.) Stručni, zvanični naziv za ovu pojavu jeste: duboko neelastično rasejanje. U Hofštaterovim ranijim opitima 'trčanje' kvarkova ostaje zamućeno, pa proton izgleda 'gladak' i ujednačen unutra, a sve zato što je niska energija onih elektrona pomoću kojih prikupljamo informacije. Zamisli tri vrlo sitne sijalice koje vrlo brzo trepere; zamisli da ih slikaš pomoću fotoaparata čija ekspozicija iznosi 1 minut. Na filmu bi ostala slika nečeg velikog, mutnog, nejasnog. Opit u SLAC-u jeste kao fotoaparat koji mnogo brže škljocne, ulovi i 'zaustavi' te tačkice svetlosti, tako da ih lako možemo prebrojati.
     Pošto je kvarkovsko tumačenje ovog rasipanja visokoenergetskih elektrona bila vrlo neuobičajena i ogromno važna stvar, ti opiti su ponavljani u Fermilabu i u CERN-u (Evropski centar za nuklearna istraživanja) pomoću muona sa energijom deset puta većom od SLAC-ove (150 GeV), pa i pomoću neutrina. Muoni, kao i elektroni, isprobavaju elektromagnetnu strukturu protona, dok neutrini, koji nimalo ne mare ni za elektromagnetnu, ali ni za jaku silu, testiraju takozvanu 'raspodelu slabe sile'. Slaba sila je ona nuklearna sila koja je odgovorna za radioaktivno raspadanje i za još neke stvari. Ovi ogromni opiti, izvedeni u zahuktalom, vrelom takmičenju između pojedinih grupa naučnika, dali su, svi bez izuzetka, isti zaključak: proton je sagrađen od tri kvarka. Doznali smo i neke pojedinosti o načinu na koji se kvarkovi kreću tamo unutra. Njihovim kretanjem određeno je to nešto što nazivamo 'proton'.
     Podrobne analize sve tri vrste opita - sa elektronima, sa muonima i sa neutrinima - dovele su do otkrića nove čestice, a to je gluon. Gluoni su prenosioci jake sile; bez njih, naši podaci naprosto ne bi mogli biti objašnjeni. Te iste analize dale su nam i kvantitativne podatke o načinu na koji se kvarkovi kovitlaju jedan oko drugog u svom protonskom zatvoru. Dvadeset godina takvih proučavanja (za koja imamo stručni zvanični naziv: izučavanje strukturnih funkcija) dadoše nam istančan model koji objašnjava sve sudarne opite u kojima pomoću protona, neutrona, elektrona, muona, kao i pomoću fotona, piona i antiprotona gađamo protone. To vam je slikar Mone, dostignut i nadmašen. Možda je kao bolji primer mogla da posluži pesma Volasa Stivensa (Wallace Stevens) 'Trinaest načina gledanja na gavrana'.
     Kao što vidite, doznamo mnogo i objasnimo šta je ušlo, a šta je 'izletelo' iz sudara. Saznamo mnogo toga i o silama, i o načinu na koji iz tih sila proisteknu složene strukture poput protona (koji je napravljen od tri kvarka) i mezona (koji se sastoji od jednog kvarka i jednog antikvarka). Pa, kad imamo toliku količinu informacija, i vidimo da su sve one međusobno usaglašene, nije nam mnogo važno, i sve manje nam je važno, to što ne možemo, baš, da zavirimo u samu crnu kutijicu gde se sudar zaista događa.
     Hteli mi to ili ne, na nas mora da ostavi jak utisak sintagma 'seme unutar semena'. Molekul je načinjen od atoma. Atom ima jezgro. Jezgro je načinjeno od protona i neutrona. Proton i neutron su načinjeni od kvarkova. Kvarkovi su naččč... e-hej, stani malo. Kvarkovi ne mogu biti razbijeni. Naime, mi mislimo da ne mogu, ali, dabome, nismo u to sasvim sigurni. Otkud nam pravo da kategorično izjavimo da smo stigli do kraja tog druma? Pa ipak, u ovom času postignuta je saglasnost da kvark ne može biti razlupan. Uostalom, ni taj Demokrit ne može živeti večno.

NOVA MATERIJA: NEKI RECEPTI

     Tek treba da razmotrimo jedan važan proces koji se dešava tokom nekih sudara. Nove čestice se stvaraju. Ovo se i u vašoj kući stalno dešava. Pogledajte sijalicu koja se hrabro trudi da obasja ovu stranicu koju čitate, a koja bi inače bila u mraku. Šta je izvor te svetlosti? Elektroni. Oni su uznemireni dejstvom električne energije koja kulja u vlakno vaše sijalice, ili, ako ste jedan od onih koji vole da štede energiju, u gas u vašoj fluorescentnoj svetiljki. Ti elektroni emituju fotone. Zbog tog procesa sijalica sija. Ako ćemo govoriti apstraktnijim jezikom fizičara koji ima posla sa elementarnim česticama, onda ćemo kazati da elektron u procesu sudara zrači jedan foton. Da bi elektron ovo mogao učiniti, stiže mu (kroz utikač) energija koja izaziva proces ubrzavanja.
     Sad moramo ovo da uopštimo. U procesu stvaranja, nama su nametnuta određena ograničenja: vezani smo zakonima o očuvanju energije, o momentu sile, o naelektrisanju, kao i svim kvantnim pravilima. Osim toga, onaj predmet koji je na neki način odgovoran za stvaranje nove čestice mora da ima neku 'vezu' sa česticom koja treba da bude stvorena. Primer: proton se sa drugim protonom sudari i nastane jedna nova čestica, pion. To pišemo ovako:

     p+ + p+ - p+ + p+ + n

     Čitamo: dva protona se sudaraju i nastane opet jedan proton, jedan pozitivni pion (to je p+) i jedan neutron. Ono što čini vezu između svih ovih čestica jeste jaka sila. Prikazan je jedan tipičan proces stvaranja čestice. Možemo i drugačije da pročitamo gornji iskaz: jedan proton se, 'pod uticajem' drugog protona, raspada na jedno 'pi plus' i na jedan neutron.
     Postoji još jedna vrsta stvaranja. To je redak i uzbudljiv proces, a naziva se anihilacija. U najbukvalnijem smislu, onom iz rečnika, anihilacija znači da nešto postaje ništa, to jest prestaje da postoji. Kad se elektron sudari sa svojom antičesticom, pozitronom, nestaju oba: i elektron i pozitron. Na tom mestu se energija za trenutak pojavi u obliku jednog fotona. Ovaj proces ne sviđa se zakonima o očuvanju, pa je zato ovom fotonu kratak vek, on mora da nestane, a namesto njega pojavljuju se ubrzo dve čestice - na primer, opet jedan elektron i jedan pozitron. Ređe se dešava da se foton raspadne na muon i antimuon, ili čak na proton i antiproton. Anihilacija je jedini proces koji sa punim uspehom pretvara materiju u energiju po Ajnštajnovoj formuli E = mc2. Jer, kad eksplodira, recimo, atomska bomba, samo jedan delić od jednog postotka njene mase preobrati se u energiju. Dok, kad se materija i antimaterija sudare, sto posto mase iščezava.
     Kad pravimo nove čestice, osnovni je zahtev da energije mora biti dovoljno, a osnovni 'knjigovodstveni' alat je E = mc2. Na primer, pomenuli smo da sudar elektrona i pozitrona može dovesti do stvaranja jednog protona i jednog antiprotona. Uzgred rečeno, mi u Americi kažemo za ta dva: p i p-bar (p sa crticom). Pošto energija mirovanja jednog protona iznosi oko 1 GeV, čestice koje ulaze u sudar moraju sa sobom doneti bar 2 GeV energije da bi posao uspeo. Što više energije, veća je i verovatnoća da će uspeti, da ćemo dobiti par p/p-, a osim toga, lakše je i otkriti dobijene čestice zato što one steknu i nešto kinetičke energije, to jest kretanja.
     Ova zasenjujuća osobina antimaterije dovela je do maštanja, u naučnoj fantastici, o tome da bi antimaterija mogla rešiti energetsku krizu. Istina je to da bi čak jedan kilogram antimaterije bio potreban da bi Sjedinjene Američke Države dobile dovoljno energije za jedan dan života i rada. Taj kilogram bi se u celosti pretvorio u energiju zato što cela masa i protona i antiprotona biva, pri anihilaciji, pretvorena u energiju. Kod sagorevanja uglja ili nafte samo jedan milijarditi deo mase pretvara se u energiju. U fisionim reaktorima, 0,1 postotak, a kad bismo ostvarili fuzionu energiju, na šta već toliko decenija čekamo, ova brojka bi se povećala (ne očekujte previše...) na oko 0,5%.

PUNO NIŠTA ČESTICA

     Još jedan način da se o ovim stvarima razmišlja jeste sledeći. Zamislimo da je sav prostor, pa i onaj sasvim prazan, u stvari ipak prepun čestica. To je pravi okean čestica, koji zapljuskuje odasvud. U tom zapljuskivanju pojavljuju se sve vrste čestica, sve što priroda u svojoj mudrosti ume da napravi. Ja ovo ne pričam metaforički. Jedna od implikacija kvantne teorije jeste i to da čestice bukvalno iskaču ni iz čega i opet odleću u to ništa - nestaju u vakuumu. One uskaču u postojanje i iskaču iz postojanja. Sve te čestice samo su privremene. Nastanu - i začas nestanu. To je kao jedan istočnjački bazar u kome sve vri od naroda, od gužve. Dokle god se ovo nastajanje i nestajanje dešava u praznom prostoru - dotle se ne dešava, zapravo, ništa. To vam je kvantna jeza, ali ona može pomoći da objasnimo šta se dešava prilikom samog sudara. Gle! Tamo je iskočio jedan par šarm kvarkova (to znači: šarm kvark i šarm antikvark) i odmah nestao. Oho! Onde se rodio kvark dno i njegov ortak kvark antidno. I već obojica nestadoše. Čekaj malo: a šta je ono onamo bilo? Dobro, tu je nastala neka čestica iks, o kojoj mi u vreme izlaska ove knjige iz štampe (1993) još nemamo pojma, i njena antičestica, antiiks.
     U ovom haotičnom ludilu postoje pravila. Kvantni brojevi moraju biti takvi da njihov zbir daje nulu, nulu vakuuma. Još jedno pravilo: što je teži objekat (čestica), to će ređe da iskače ni iz čega i da se vraća u ništa. Jer sve ove čestice 'pozajmljuju' energiju iz praznine, samo da bi se šepurile u postojanju tokom jednog zaista malenog, najmaleckijeg delića sekunde; i odmah potom nestanu zato što sve pozajmljeno moraju i da vrate u onom vremenu koje je određeno Hajzenbergovim relacijama o neodređenosti. Evo sada ključa: ako se izvesna količina energije može obezbediti spolja, onda prolazna, virtuelna pojava tih čestica može postati stvarnost. Mogu, dakle, biti otkrivene u mehurastim komorama i brojačima. Pa, otkud se može obezbediti ta energija? Pa, otud što ako jedna energična čestica, sveže ispaljena iz akceleratora, željna da nađe sebi društvo, ispolji spremnost da plati potrebnu cenu - a to znači da se odrekne izvesne količine energije koja mora biti barem jednaka masi mirovanja željenog para, recimo, kvarkova ili iksova - tada vakuum odlazi zadovoljan jer mu je dug u celosti vraćen; a mi kažemo da je naša ubrzana čestica stvorila jedan par kvark/antikvark. Očigledno, što su teže čestice koje želimo da napravimo, veću energiju moramo dobiti iz naše mašine. U sedmom i osmom poglavlju susrešćete mnoge nove čestice koje su se rodile baš na ovaj način. Samo da vam kažem, ova kvantna fantazija o sveprisutnom vakuumu koji kipi od 'virtuelnih čestica' ima i neke druge opitne implikacije - trebalo bi, na primer, da preinači masu i magnetizam elektrona i muona. Objašnjavaćemo to dalje kad stignemo do opita 'g minus 2'.

TRKA

     Još u Raderfordovim vremenima počela je trka ko će prvi napraviti aparate u kojima bi bile dostignute vrlo visoke energije. U ovom naporu, tokom dvadesetih godina našeg veka pomagale su kompanije za proizvodnju i raspodelu električne energije zato što se električna struja najekonomičnije prenosi pri visokim naponima. Još jedna pobuda bila je želja da se proizvode rendgenski zraci kojima bi se suzbijali zloćudni tumori. Radijum je već tada korišćen za uništavanje tumora, ali je bio strašno skup; osim toga, mislilo se da bi zračenje sa višom energijom moglo biti od velike koristi pacijentima. Zato su elektrokompanije i medicinske istraživačke ustanove podržavale razvoj generatora za proizvodnju struje visokog napona. Na čelo trke izbio je na svoj osobeni način Raderford kad je uputio engleskoj elektrokompaniji 'Metropoliten-Vikers' izazov: "Dajte nam potencijal reda deset miliona volti, ali da se može smestiti u sobu razumne veličine... i dajte nam vakuumsku cev sposobnu da izdrži taj napon."
     Nemački fizičari pokušali su da upregnu ogromnu voltažu alpskih oluja bogatih grmljavinom. Između dva planinska vrha okačili su izolovan kabl; kad god bi u blizini sevnula munja, oni su uspevali iz tog kabla da izvuku napon čak do 15 miliona volti i da postignu preskakanje ogromnih varnica između dve metalne kugle razmaknute čak 6 metara - spektakularno, ali od slabe koristi za posao. Ovaj pristup je napušten kad je jedan naučnik poginuo dok je podešavao aparat.
     Krah ovog pokušaja nemačke ekipe pokazao je da treba obezbediti i nešto više, a ne samo silu. Polovi u Razmaku morali su biti smešteni u neku elektronsku cev ili vakuumsku komoru koja će poslužiti kao odličan izolator. (Visoki napon naprosto obožava da preskoči kroz izolacioni prazan prostor koji ostavimo. Ovo se može sprečiti samo veoma tačnom konstrukcijom.) Ta cev je morala biti dovoljno jaka da izdrži ispumpavanje vazduha. A od bitnog značaja bio je vakuum; morao je biti visokokvalitetan. Ako bi u cevi zaostalo suviše molekula gasa, oni bi, u svome plovljenju tamo-amo, uletali u zrak i ometali ga. Visoka voltaža morala je biti dovoljno postojana da ubrzava mnogo čestica. Na ovim i drugim tehničkim problemima radilo se od 1926. do 1933, kad su konačno rešeni.
     Ovo takmičenje bilo je žestoko širom Evrope, a američke institucije i naučnici brzo su se uključili u opštu 'frku'. U Berlinu je firma 'Algemajne Elektricitet Gezelšaft' napravila impulsni generator koji je davao napone i do 2,4 miliona volti, ali nijednu česticu. Nemačka zamisao preneta je u američki gradić Šenektedi, gde je firma 'Dženeral Elektrik' poboljšala rezultat na 6 miliona volti. U instituciji Karnegi u Vašingtonu fizičar Merl Tuve (Merle Tuve) naterao je jedan indukcioni namotaj - solenoid - da proizvede nekoliko miliona volti godine 1928, ali nije imao odgovarajuću vakuumsku cev. Čarls Loricen (Charles Lauritsen) uspeo je u Kalteku da napravi vakuumsku cev sposobnu da izdrži 750.000 volti. Tuve je adaptirao Loricenovu cev i proizveo zrak sa 1013 (deset hiljada milijardi) protona u sekundi, pri naponu od pola miliona volti, što je, teorijski, dovoljno izobilje projektila, a i dovoljan napon da se počne istraživati jezgro. Tuve je i postigao sudare jezgara, ali tek 1933, a do tada su dve druge ekipe već ostvarile to isto.
     Još jedan od učesnika, ali ne pobednika, bio je Robert Van de Graf (Robert Van de Graaff) koji je radio na Jelu, a posle na MIT-u; on je sagradio mašinu koja je pomoću svilene pokretne 'beskonačne trake' nosila malo-pomalo naelektrisanje do jedne velike metalne kugle, na čijoj spoljašnjosti se napon povećavao. Najzad, po dostizanju nekoliko miliona volti, napon se praznio tako što je ogromna 'munja' poletala sa kugle i zabijala se u zid laboratorije. Bio je to Van de Grafov generator, proslavljen u to doba, o kome su na časovima fizike učili svi srednjoškolci. Što je veći bio poluprečnik kugle, to je kasnije dolazilo do onog završnog bleska munje. Kad je umesto vazduha u prostoriji bio samo suvi azot u gasnom stanju, dostizani su još viši naponi pre tog naglog pražnjenja. Posle nekog vremena, Van de Grafovi generatori odabrani su kao najbolje rešenje za mašine u kategoriji ispod 10 miliona volti, ali bile su potrebne još godine rada da bi se ta zamisao usavršila.
     Trka se nastavila i u kasnim dvadesetim i ranim tridesetim godinama ovog veka. Pobediše (ali za dlaku ispred drugih) dvojica iz nekadašnje Raderfordove družine sa Kevendiša, Džon Kokroft i Ernest Volton. Njima je (ovde moram da zaječim od muke) presudno pomogao jedan teoretičar. Kokroft i Volton su, posle niza pretrpljenih neuspeha, pokušavali da dostignu milion volti, napon koji je smatran neophodnim za proboj u jezgro. Jedan ruski teoretičar po imenu Georg Gamov boravio je tada u Kopenhagenu, gde je došao u posetu Nilsu Boru. Skoknuo je preko vode, u Kembridž, da malo vidi šta se tamo radi pre nego što krene kući. Ali tamo se upleo u raspravu sa Kokroftom i Voltonom; pokušavao je toj dvojici eksperimentatora da objasni da im nije potrebna toliko visoka voltaža koliko su oni mislili. Dokazivao im je da nova teorija, kvantna, dopušta uspešne prodore u jezgro čak i ako se ne raspolaže energijom dovoljno visokom za savladavanje odbojne sile pozitivnog elektriciteta u njemu. Objašnjavao im je da kvantna teorija daje protonima talasne osobine, što im omogućava da prokrče sebi 'tunel' kroz barijeru sačinjenu od nadmoćnog naelektrisanja istog znaka, kao što smo videli u petom poglavlju. Kokroft i Volton su ga konačno poslušali i sredili svoj aparat da pokušaju sa 500.000 volti. Upotrebili su transformator i električno kolo za uvećanje napona, pa su ubrzavali protone dobijene iz cevi sa elektrodama unutra, nalik na onu pomoću koje je Dž. Dž. Tomson stvarao katodne zrake.
     U mašini Kokrofta i Voltona, mlazevi protona, približno po bilion njih svake sekunde, jurili su kroz bezvazdušnu cev, ubrzavani i zarivali se u mete od olova, litijuma i berilijuma. Godina je bila 1930, uspeh je postignut, najzad je pomoću ubrzanih čestica izvedena jedna nuklearna reakcija. Litijum se raspadao pod naletom protona sa samo 400.000 eV energije, što je bilo daleko ispod onih miliona volti za koje se mislilo da su neizostavno potrebni. Bio je to istorijski događaj. Od tog trenutka nauka ima na raspolaganju 'nož' nove vrste; doduše, tada je bio tek u svom najprimitivnijem obliku.

GLAVNI DRMATOR U KALIFORNIJI

     Radnja se sada premešta u Berkli, u Kaliforniji, gde godine 1928. dolazi Ernest Orlando Lorens, rodom iz Južne Dakote, koji je malo pre toga ostvario blistav početak kao fizičar-istraživač na Jelu. Ovaj Lorens pronašao je korenito drugačiju tehniku ubrzavanja čestica. Za to je stvorio mašinu koja će se zvati ciklotron i dobio Nobelovu nagradu 1939. godine. Lorensu behu dobro poznate trapave elektrostatičke skalamerije, u kojima nabiješ ogromnu voltažu, a onda se nešto pokvari u električnom sistemu; smatrao je da mora postojati neki bolji način. Pretraživao je literaturu, gledajući kako se visoka energija može postići bez visokog napona; naišao je na stručni rad jednog norveškog inženjera po imenu Rolf Videroe (Rolf Wideröe). Tip je predlagao da energiju čestice udvostručimo tako što ćemo česticu prošetati prvo kroz jedan, pa zatim kroz još jedan Razmak, bez podizanja napona u njima. Videroeva zamisao je osnov za one akceleratore za koje danas kažemo da su linearni. Jedan iza drugog, u pravoj liniji, mnogo Razmaka, a čestica samo fura kroz sve njih i u svakom dobije još i još i još energije.
     Međutim, Lorens je, čitajući Videroev članak, došao na još bolju zamisao. Zašto ne koristiti jedan isti Razmak i u njemu neku skromnu voltažu, ali ponovo i ponovo, mnogo puta? Lorens je razmišljao ovako: kad naelektrisana čestica dospe u magnetno polje, počne da se vrti ukrug. Putanja čestice biva savijena u krug čiji je poluprečnik određen snagom magneta (jači magnet - manji poluprečnik) i momentom sile te naelektrisane čestice (što se ona jače zaletela - to je veći poluprečnik). Taj momenat sile, to vam je naprosto masa puta brzina čestice - dakle, zamah. Ovo znači da će jak magnet naterati česticu da leti ukrug, a krug će biti mali, malecak; međutim ako čestica dobija sve veći zamah, pa time i energiju, uspevaće ipak da se izbori za sve prostraniji krug.
     Zamislite ogromnu kutiju za prenošenje damskih šešira (ili za tortu). Iznad i ispod kutije su dva pola, južni i severni, jednog vrlo jakog magneta. Neka je ova kutija napravljena od bronze ili od nerđajućeg čelika - dakle od nečeg što je tvrdo, ali nemagnetno. Iz kutije ispumpajte vazduh. U kutiju stavite dve jednake šuplje bakarne strukture u obliku polukruga ili 'polovine torte' - nalik na veliko latinično slovo D. Ta dva polukruga okrenuta su ravnim ivicama jedan ka drugom, velika su toliko da maltene sasvim ispunjavaju kutiju, ali pošto su šuplji, čestice unutar njih mogu slobodno da lete. Između njih ostaje Razmak, ali vrlo mali. Pretpostavimo da smo jednom polukrugu dali negativno, a drugom pozitivno naelektrisanje i da je napon, recimo, 1.000 volti. Mlaz protona proizvedenih (već nekako) blizu središta ove kutije želi da pređe preko Razmaka, od pozitivnog polukruga ka negativnome. To i bude. Sad su protoni dobili dopunsku energiju od hiljadu volti, a pošto su ubrzali svoje kretanje, poluprečnik njihovog kruženja sad je povećan. Protoni obiđu pola kruga. Sad se sa suprotne strane opet približavaju Razmaku. Ali mi smo lukavo isključili struju i ponovo je uključili sa promenom polariteta - ono što je bilo plus sad je minus, i obratno. Protoni jure i vide ispred sebe Razmak, a s one strane Razmaka je - opet negativno (koje ih privlači). Pošto ih privlači, oni ubrzavaju preko Razmaka i stiču još veću energiju. Sad već imaju 2.000 eV. Ovaj proces se nastavlja. Pri svakom preletanju kroz Razmak protoni dobijaju još po 1.000 elektron-volti. Pošto su sve brži, oni se sve uspešnije bore protiv magneta koji pokušava da ih stisne na malenu putanju: kreću se u sve širim i širim krugovima. Dakle, poluprečnik njihove putanje se povećava. Protoni nastavljaju da kruže, ali sve su bliže rubu kutije. U jednom trenutku 'zakucaju' se u metu koju smo im podmetnuli, dogode se sudari, a naše naučno istraživanje time počinje.
     Ključna stvar za postizanje uspeha pri ovakvom ubrzavanju jeste, naravno, da proton svaki put kad se približi Razmaku 'ugleda' ispred sebe opet negativno naelektrisanje. Znači, polaritet (šta je plus, a šta minus) mora vrlo hitro da se preokreće, u tačnoj sinhronizaciji sa kretanjem protona ukrug. Vi ćete se možda zapitati: pa, zar nije teško sinhronizovati to preokretanje plus-minus-plus-minus... sa kruženjem protona koji menjaju i brzinu i obim putanje? Nije. Lorens je otkrio da to nije teško zato što je Bog, u svojoj mudrosti, udesio da protoni, dok lete po toj svojoj sve široj spirali, duži put tačno kompenzuju većom brzinom. Oblete svaki krug za tačno isto vreme. Ovaj proces poznat je kao 'rezonantno ubrzanje'. Prema tome, da bismo svaki put namestili minus ispred protona, dovoljno je da samo jednom uhvatimo tačan ritam promene plus-minus... i da ga se posle toga držimo bez izmene. To se, opet, odavno radilo u radio-tehnici i nije bilo nikakav problem. Otud naziv koje su dali mehanizmu za preokretanje napona u akceleratoru: generator radio-frekvencije. U ovom sistemu, proton dospeva na početak Razmaka upravo u onom trenutku kad, ispred njega, onaj drugi polukrug ima najveći negativan napon.



     Lorens je svoju teoriju ciklotrona razradio tokom 1929. i 1930. godine. Kasnije je projektovao, na hartiji, mašinu u kojoj bi protoni obleteli 100 krugova, a svaki put na D-Razmaku (na Razmaku između dva polukruga, dva D) dobili još po 10.000 volti. To bi njemu dalo protonski zrak snage 1 MeV. Ovako: 10.000 V x 100 krugova = 1 MeV. Takav zrak bio bi 'koristan za proučavanje atomskih jezgara'. Prvi čovek koji se latio posla i stvarno napravio ovo bio je Stenli Livingston (Stanley Livingston), jedan od Lorensovih studenata, ali je prilično podbacio u ostvarenju - postigao je samo 80.000 volti. Onda je Lorens krenuo 'na veliko'. Pribavio je ogromna budžetska sredstva - hiljadu dolara! Cilj: napraviti mašinu koja bi razbijala atomska jezgra. Polovi magneta, severni i južni pol magneta (gornji i donji magnet), imali su u prečniku po 25 centimetara. Godine 1932. ova mašina ubrzala je protone do energije od 1,2 MeV. Takvi protoni bacani su uspešno u sudar sa jezgrima litijuma i drugih hemijskih elemenata... samo nekoliko meseci pošto su Kokroft i Volton to isto postigli na Kembridžu. Drugoplasiran! Pa ipak je i Lorens pripalio cigaru.

VELIKA NAUKA I KALIFORNIJSKO 'ONO NEŠTO'

     Lorens je, zahvaljujući svojoj energiji i sposobnosti, postao veliki 'drmator' u američkom društvu. Postao je otac Velike nauke. Taj izraz odnosi se na ogromne, centralizovane laboratorije, veoma složene i skupe, u kojima zajedno rade brojne grupe naučnika. Imala je Velika nauka i svoj razvoj; stvorila je nove načine istraživanja, zasnovane na saradnji celih timova naučnika. Stvorila je i divne nove sociološke probleme, o kojima ćemo pričati kasnije. Ljudi kao Lorens nisu viđeni još od vremena Tihoa Brahea, kneza od Uraniborga, i njegove laboratorije na ostrvu Hven. Lorens je postavio Sjedinjene Američke Države u arenu svetske eksperimentalne fizike, i to kao ozbiljnog učesnika. Doprineo je da se u Kaliforniji uspostavi 'ono nešto', jedna pomalo tajanstvena naklonost ka tehnološkoj ekstravagantnosti, ka skupim i složenim poduhvatima. Bili su to uistinu privlačni izazovi za mladu Kaliforniju, odnosno za mlade Sjedinjene Američke Države.
     Već 1934. godine Lorens je proizvodio zrake sačinjene od deuterona, snage 5 MeV, u ciklotronu čiji je prečnik iznosio 94 centimetra. Deuteron je atomsko jezgro koje se sastoji od jednog protona i jednog neutrona (dakle, jezgro deuterijuma), a otkriveno je 1931, i pokazalo se da je kao projektil za izazivanje nuklearnih reakcija pogodnije nego sam proton. Godine 1936. Lorens je imao zrak od 8 MeV, takođe sa deuteronima. Godine 1939. njegova mašina prečnika metar i po davala je 20 MeV. Pravo 'čudovište' počelo je da se gradi 1940. godine; završeno je posle Drugog svetskog rata - instalacija čiji je samo magnet težak 10.000 tona! Širom sveta gradili su se ciklotroni zato što su dokazali svoju sposobnost da otkrivaju tajne jezgara. Zrak čestica uperen na tumor ostavlja u tkivu toliko energije da ga uništava. Sada, u devedesetim godinama, u bolnicama širom SAD imate preko hiljadu ciklotrona. Međutim, temeljna istraživanja o česticama otišla su još dalje, napustila su ciklotron i prešla na jedan novi tip mašine.

SINHROTRON: VRTI DO MILE VOLJE

     Navala ka sve višim energijama širila se i jačala u celom svetu. Prilikom ulaska u svako sledeće energetsko 'područje', postizana su nova otkrića. Nastajale su i nove zagonetke, što je povećavalo želju za još višim energijama. Činilo se da su bogatstva prirode skrivena u nuklearnom i subnuklearnom mikrosvetu.
     Ograničavajući činilac u ciklotronu jeste sam njegov sklop. Pošto čestice idu spiralno, sve bliže rubovima raspoloživog prostora unutra, očigledno je da kad dođu do kraja - nema dalje. Ne može se postići putanja sa poluprečnikom većim od celog raspoloživog unutranjeg prostora u D-polukrugovima. Ako želiš veći broj orbita, sve većih i većih, izvoli pa napravi veći ciklotron. Magnetno polje mora delovati na celu oblast u kojoj se događa to spiralno kretanje - znači, magnet mora biti veliki... i skup.
     Ulazi novi glumac, sinhrotron. Ako ne dozvolimo česticama da se spiralno pomeraju ka sve širim i širim orbitama, nego ih prisilimo da ostaju večito na istoj putanji (dakle, na putanji sa stalnim poluprečnikom), onda je magnet potreban samo iznad jedne uske staze - baš iznad same te putanje. Neka čestice dobijaju sve više i više energije; mi ćemo istovremeno pojačavati magnetno polje! Upravo na taj način sprečavaćemo njihovo premeštanje ka nekim većim poluprečnicima kruženja. Baš smo pametni, a? Uštedećemo mnogo tona gvožđa, jer magnetni polovi, oni koji moraju biti iznad i ispod putanje, mogu sad biti samo desetak-petnaest centimetara široki, a ne metrima.
     Moraju se tu pomenuti još dve važne pojedinosti pre nego što se zagnjurimo u devedesete godine. U ciklotronu, naelektrisane čestice (protoni ili deuteroni) putuju mnogo puta ukrug; bude tu i više hiljada obrtaja. Nalaze se u vakuumskoj komori koja kao da je 'spljeskana' između dva magnetna pola. Da se protoni ne bi razilazili i udarali u sve zidove oko sebe, bilo je krajnje bitno da postoji neki način za fokusiranje čestica. Baš kao što ono sočivo napred na baterijskoj svetiljki postiže da fotoni ne idu kud koji nego da glavnina ide pravo napred, u jednom zraku, dakle (otprilike) uporedno. E, pa, slično tome pomoću magnetne sile držimo čestice otprilike u jednom, uzanom zraku.
     U ciklotronu ovaj posao fokusiranja obavljamo tako što se magnetno polje na određeni način menja baš onda kad se protoni kreću prema spoljašnjem rubu magneta. Robert R. Vilson, jedan od Lorensovih mladih studenata i kasnije graditelj akceleratora u Fermilabu, prvi je dokučio veoma tanana, ali presudna magnetna dejstva koja sprečavaju protone da se raspu u širinu. U prvim sinhrotronima, magneti su bili na određeni način 'izvajani', uobličeni da bi se ovo postiglo. Kasnije su za fokusiranje čestica korišćeni posebni četvoropolni magneti (kvadropoli) sa dva južna i dva severna pola, dok su drugi, dvopolni magneti (dipoli) zadržavali tako fokusirane čestice na željenoj, uvek istoj orbiti.
     Fermilabov Tevatron, mašina od bilion volti, pušten u rad 1983. godine, dobar je primer. Moćni superprovodni magneti usmeravaju čestice na orbitu, samo jednu, kružnu. Oni to rade otprilike kao što šine usmeravaju voz koji je ušao u jaku krivinu. U našoj cevi, kroz koju zrak prolazi, vlada veoma kvalitetan vakuum. Ta je cev napravljena od nerđajućeg čelika (dakle, nemagnetna je), u poprečnom preseku je ovalna - otprilike 7,5 centimetara široka, a 5 centimetara visoka, i nalazi se tačno između južnog i severnog pola magneta. Svaki od naših dipola, dakle usmerivača, dugačak je po 7 metara, a svaki kvadropol (mi kažemo skraćeno 'kvad') po 5 metara. Cev je toliko dugačka da je duž nje naređano više od hiljadu magneta. Ova cev sa magnetima načičkanim oko nje čini krug poluprečnika 1 kilometar. Ovo je prilična promena u odnosu na Lorensovu prvu napravu koja je imala deset centimetara u prečniku. Eto, vidite koje su prednosti sinhrotrona. Tačno je da treba veliki broj magneta, ali su oni prilično 'mršavi', prislonjeni su uz vakuumsku cev i pokrivaju samo nju. Kad bi naš Tevatron bio ciklotron, trebao bi mu magnet (oba pola) koji bi bio prečnika 2 kilometra!
     Čestice optrče svoju stazu, oko šest i po kilometara, po 50.000 puta u svakoj sekundi. Za deset sekundi one pređu daleke pute - preko tri miliona kilometara. Kad god proleću kroz Razmak, koji nije samo jedan (postoji ceo niz posebno sazdanih Razmaka), napon koji ih priziva k sebi dodaje im još po jedan MeV. Nigde na celoj ovoj putanji čestice ne mogu da vrludaju više od tri milimetra tamo ili amo jer im to ne dopuštaju magneti koji ih fokusiraju. Nije savršeno, ali služi. Ova tačnost je kao da nanišaniš puškom na komarca koji sedi na Mesecu, opališ i pogodiš ga, ali u pogrešno oko. Da bi protoni ostajali na toj istoj orbiti iako su sve brži i brži, snaga magneta mora se pojačavati u tačnoj sinhronizaciji sa povećanjem energije tih protona.
     Druga važna pojedinost odnosi se na teoriju relativnosti: kad energija protona počne da se diže iznad dvadesetak ili tridesetak MeV, oni postaju primetno teži. Ovo povećanje mase upropašćava nam 'ciklotronsku rezonancu' koju je Lorens otkrio, onu u kojoj su protoni putovali sve dužim stazama, ali su to tačno nadoknađivali svojom sve većom brzinom. Ovde ne može jedna postojana radio-frekvencija, uvek ista, da zapoveda preokretanjima plus-minus-plus-minus nego se to mora postepeno usporavati zato što je magnetima sve teže i teže da otežale protone izvuku do nekih novih brzina. Zato primenjujemo FM sistem (frekventnu modulaciju) da nam zapoveda preokretima plusa i minusa, tačno u skladu sa masom protona, koja se polagano povećeva. Upravo je prvi sinhro-ciklotron, dakle frekventno-modulacioni ciklotron, bio prvi primer uticaja teorije relativnosti na naš posao sa akceleratorima.
     Protonski sinhrotron rešava problem još elegantnije. Malo je složeno, ali oslanja se na činjenicu da brzina čestice, koju mi želimo da postignemo, premaša 99 postotaka brzine svetlosti; a to znači da je, u suštini, uvek otprilike ista. Pretpostavimo da čestica naiđe na Razmak upravo u onom delu radio-frekventnog ciklusa kad je voltaža jednaka nuli. Nema ubrzanja. Ali ako mi malo pojačamo magnetno polje, putanja se malo stisne, postane malčice kraća, čestica stiže na Razmak malo ranije i sad vidi ispred sebe naelektrisanje ka kome bi htela da ubrza. Masa raste, poluprečnik orbite se povećava i u istoj smo situaciji kao na početku... s tim što je energija čestice postala veća. Ovaj sistem ispravlja samoga sebe, stalno. Ako čestica stekne previše energije (mase), poluprečnik njene putanje će se povećati i ona će stići na Razmak prekasno, videće voltažu koja će je usporiti i time će greška biti ispravljena. Mi samo treba da pojačavamo magnetno polje. Time će čestica, koja je naš glavni junak u priči, dobijati veću energiju. Ovaj metod oslanja se na takozvanu 'faznu stabilnost' o kojoj će biti reči kasnije u ovom poglavlju.

AJK I PIONI

     Jedan od ranih akceleratora bio mi je i blizu i drag - sinhro-ciklotron od 400 MeV na Univerzitetu Kolumbija. Taj je bio sagrađen na jednom imanju u mestašcu Irvington na Hadsonu, u državi Njujork; moglo se sa Menhetna stići gradskim prevozom donde. Vlasnik tog imanja, u kolonijalno doba, bio je Aleksandar Hamilton (Alexander Hamilton). On je imanju dao naziv 'Ben Nevis', po jednoj planini u Škotskoj, odakle su bili njegovi preci. Kasniji vlasnici imanja bili su neki ljudi iz jednog ogranka porodice Dipon (Du Pont), a posle njih Univerzitet Kolumbija, ali je naziv 'Ben Nevis' ostao. Zato je i ciklotron dobio naziv Nevis. Sagrađen je između 1947. i 1949, radio je dvadesetak godina (od 1950. do 1972) i bio je jedan od najproduktivnijih akceleratora na svetu, u tom razdoblju. Proizveo je on i oko 150 doktora nauka, od kojih je približno polovina ostala na polju fizike čestica i postala profesori na Berkliju, Stenfordu, Kalteku, Prinstonu i u mnogim drugim takvim poluilegalnim ćumezima. Druga polovina tih doktora fizike otide kud koji: u razne male nastavne institucije, u državne laboratorije, u naučnu administraciju, u industrijsko istraživanje, investiciono bankarstvo...
     Bio sam postdiplomac kad je tadašnji predsednik (Univerziteta Kolumbija) Dvajt Ajzenhauer proglasio to novo postrojenje otvorenim, juna 1950. godine, na maloj svečanosti koja je održana na travnjaku divnog imanja Nevis. Tamo je drveće veličanstveno, žbunje divno, imate nekoliko zgrada od crvene opeke, a nekoliko livada niže protiče, veličanstveno, reka Hadson. Ajk je održao prikladan govor, a onda okrenuo prekidač; iz zvučnika se začulo pojačano pucketanje Gajgerovog brojača, što je trebalo da znači da tu negde, u zgradi, ima radioaktivnog zračenja. Pucketanje je nastajalo zato što sam držao jedan izvor radioaktivnosti blizu tog Gajgerovog brojača. Jer, mašina je bila odabrala baš taj dan i sat da se pokvari. Ajk to nikad nije saznao.
     Zašto 400 MeV? Godine 1950. nama je glavna po značaju čestica bio pion, za koji se još upotrebljava i naziv pi-mezon. Postojanje piona predvideo je 1936. godine jedan Japanac, teorijski fizičar Hideki Jukava (Hideki Yukawa). Mislilo se da bi pion mogao biti ključ za jaku silu, koja je u ono doba bila velika tajna. Mi danas o jakoj sili razmišljamo u terminima gluona. Ali u ono vreme, pioni, to jest pi-mezoni, koji letucaju napred-nazad između protona i neutrona i drže ih čvrsto na okupu u jezgru, bili su ključ i nama je bilo potrebno da ih pravimo i proučavamo. Da biste proizveli pione u nuklearnim sudarima, čestica koja doleće iz akceleratora mora imati energiju veću nego što je masa piona pomnožena brzinom svetlosti na kvadrat, dakle veću od m(piona)c2; a to znači veću od energije koju ima pionova masa mirovanja. Kad pionovu masu mirovanja pomnožiš brzinom svetlosti podignutom na kvadrat, dobiješ 140 MeV. To mu je masa mirovanja iskazana sad kao energija. Pošto samo jedan deo energije sudara biva iskorišćen za proizvodnju novih čestica, nije nam bilo dovoljno ni 140, pa smo ocenili da bi 400 bilo, valjda, dovoljno. Mašina zvana Nevis postala je fabrika pi-mezona.

BEPOVE DAME

     E, čekajte. Prvo nekoliko reči o tome kako je svet uopšte saznao da pioni stvarno postoje. Kasno u četrdesetim godinama, naučnici na Bristolskom univerzitetu u Engleskoj primetili su da alfa-čestica, kad se zaleti kroz fotografsku emulziju na staklenoj ploči, 'aktivira' molekule duž svoje putanje. Razviješ taj negativ (filmsku ploču) i vidiš trag alfe, opisan česticama srebrnog bromida. Za ovo posmatranje potreban je mikroskop, ali ne jak. Bristolska grupa spremala je veće količine staklenih ploča namazanih vrlo debelim slojevima fotoemulzije i slala ih balonima gotovo na vrh atmosfere zato što je tamo jačina kosmičkih zraka mnogo veća nego na nivou mora. Ovaj prirodni izvor zarčenja imao je čestice neuporedivo veće energije nego Raderfordove alfe sa svojih jadnih i bednih 5 MeV. U ovakvim emulzijama izlaganim kosmičkom zračenju pioni su 1947. godine primećeni prvi put. Postigli su to Ćezare Lates (Cezare Lattes), Brazilac; Đuzepe Očalini (Giuseppe Occialini), Italijan; i F. Č. Pauel (F. C. Powell), profesor trajno zaposlen u Bristolu.
     Najživopisniji pojedinac među tom trojicom bio je Očalini, koga su prijatelji zvali samo Bepo. On je bio i amater-speleolog, kompulsivni šaljivdžija i, uz to, glavni 'motor' cele ove grupe naučnika. Doveo je gomilu mladih žena i obučio ih za mukotrpni posao pregledanja emulzija malo-pomalo pod mikroskopom. Moj mentor, koji je nadgledao kako radim doktorsku disertaciju, bio je Đilberto Bernardini (Gilberto Bernardini), Bepov blizak prijatelj. Jednog dana dođe Bernardini u Bristol da poseti Bepoa. Dobije uputstva na tačnom, ispravnom engleskom jeziku; ali takav engleski njemu je bio vrlo težak i zato Bernardini zaluta u hodnicima. Posle dužeg vremena nabasa na jednu laboratoriju u kojoj sedi nekoliko sasvim pristojnih engleskih dama i psuje na italijanskom - rečima koje bi bile zabranjene i na dokovima Đenove. "Ekko!" poviče Bernardini. "Ovvo billa Bepova labba!"
     Ti tragovi u emulzijama pokazivali su da pion uleti veoma brzo, onda postupno usporava (a to se vidi po tome što se povećava gustina trunčica srebro-bromida duž putanje) i konačno se zaustavi. Na samom kraju te putanje pojavi se nova čestica prepuna energije i odjuri u daljine. Pion je nestabilan, raspadne se u stotinki mikrosekunde na muon (to je ta energična čestica koja pobegne u daljine) i na još nešto drugo. Pokazalo se da to nešto jeste neutrino, koji u emulziji ne ostavlja ni najmanji trag. Ovu reakciju zapisujemo na sledeći način: p - m + n. Čitamo: pion (na kraju) nestane, dajući jedan muon i jedan neutrino. Pošto na emulziji ne ostaje informacija o vremenskom redosledu događanja, bar pet-šest ovakvih slučajeva (koji se veoma retko događaju) moralo je pomno da se analizira da bi bilo jasno koja je to čestica uletela i kako se raspala. Bilo je neophodno da se pion proučava, ali sa ovim balonima i kosmičkim zracima naučnici su uspevali da uhvate samo desetak pionskih raspada godišnje. Kao i kod drugih nuklearnih raspada, bili su i u ovom slučaju potrebni akceleratori sa dovoljno visokom energijom.
     U Berkliju, Lorensov ciklotron prečnika 467 centimetara počeo je da proizvodi pione (pi-mezone), baš kao i mašina Nevis. Uskoro su sinhrotroni u Ročesteru, Liverpulu, Pitsburgu, Čikagu, Tokiju, Parizu i u Dubni (gradu u blizini Moskve) izučavali pionska jaka međudejstva sa neutronima i protonima, kao i slabu silu u pionskom radioaktivnom raspadu. Druge mašine na Kornelu, Kalteku, Berkliju i na Ilinoiskom univerzitetu proizvodile su pione pomoću elektrona; ali najdelotvorniji su u ovom poslu ostali protonski sinhrotroni.

PRVI SPOLJAŠNJI ZRAK: KO HOĆE DA SE KLADI, MOLIM!

     Našao sam se, eto, i ja tu, u leto godine 1950, sa mašinom koja se još nije rodila (još je bilo u toku 'porađanje'). Bili su mi potrebni podaci da bih dovršio doktorat i da bih, onda, mogao zarađivati za život. Modni trend bili su te godine pioni. Uzmi parče nečega - ugljenika, bakra, bilo čega što ima jezgra - i ošini po tome protonima od 400 MeV iz mašine Nevis; dobićeš pione. Berkli je zaposlio tog Latesa, koji je pokazao fizičarima kako da izlažu zračenju i kako da razvijaju veoma osetljive emulzije pomoću kojih su oni u Bristolu postigli uspeh. Evo kako. Uzmu gomilu tih pločica sa emulzijama i spuste ih u vakuum, u jedan rezervoar blizu zraka. Udese da protoni udaraju u jednu metu blizu emulzija. Posle (kroz bezvazdušnu komoru) izvade emulzije, razviju ih sve (to je nedelju dana rada), pa mikroskopom proučavaju jednu po jednu (nekoliko meseci!). Tako ogroman trud doneo je ekipi u Berkliju samo nekoliko desetina pionskih događaja. Morao je postojati neki lakši način. Problem se sastojao u tome što je detektor čestica morao biti instalisan u unutrašnjost akceleratora, gde akceleratorski magneti silovito deluju. Ne možeš da zabeležiš ništa bez detektora. Jedino praktično sredstvo za rad pod takvim okolnostima bile su emulzije. Bernardini je planirao da izvede na mašini Nevis opit sličan onome u koji su se ovi moji na Berkliju zaglibili. Doduše, ja sam napravio veliku, elegantnu maglenu komoru (za doktorat) koja je mogla da posluži kao mnogo bolji detektor, ali tako veliki detektor nikad ne bismo mogli da uguramo između polova magneta u unutrašnjosti akceleratora. Osim toga, u akceleratoru nastaju i razna druga zračenja koja bi upropastila svaki učinak na mom detektoru. Između ciklotrona i mesta gde se očekivalo da eksperimentatori stoje i rade bio je zid od betona, tri metra debeo, da bi zaštitio ljude od svakovrsnih lutajućih radioaktivnih zračenja iz akceleratora.
     Jedan novi doktor fizike, Džon Tinlot (John Tinlot), stigao je na Kolumbiju iz slavne grupe Bruna Rosija koja je na MIT-u proučavala kosmičke zrake. Tinlot je bio pravi majstor fizike. U poznom pubertetu postao je violinista koncertne vrednosti, ali je ostavio violinu pošto je, tek posle bolnih nedoumica, odlučio da ipak proučava fiziku. Bio je to prvi mladi doktor nauka sa kojim sam ikada radio; od njega naučih mnogo stvari. Ne samo o fizici. Džon je bio genetski prisiljen da se kladi i kocka: na konjskim trkama, u blek-džeku, na ruletu, pokeru - naročito na pokeru. Igrali smo poker tokom opita, dok je prikupljanje podataka trajalo. Igrali smo za vreme godišnjih odmora, u vozovima, u avionima. Bio je to srazmerno skup način, za mene, da naučim fiziku, ali sam se snalazio tako što sam ono izgubljeno nadoknađivao igrajući sa svakojakim drugim protivnicima - sa studentima, tehničarima i stražarima, koje je Džon dovodio za tu svrhu. On nije imao milosti.
     Sedimo Džon i ja na podu akceleratora koji nije još stvarno počeo da radi, pijuckamo pivo i raspravljamo o ovom svetu. "Šta se stvarno dešava sa pionima koji izleću iz mete?" pita Džon iznenada. Ja sam se do tog vremena već bio naučio opreznosti. Džon je umeo da se kladi i u fizici, a ne samo na hipodromu. "Pa... ako je meta unutar mašine (a morala je biti; nismo znali kako da izvedemo ubrzane protone napolje, iz akceleratora), onda će ih magnet, pošto je toliko jak, razbacati na sve strane", odgovorim obazrivo.

     DŽON: Ali neki će izleteti iz mašine i udarati u ovaj zid koji nas zaklanja?
     JA: Dabome, ali ne samo u jedno mesto nego svuda.
     DŽON: Zašto ne proverimo?
     JA: Kako?
     DŽON: Hvatamo magnetni trag.
     JA: Tu ima da se radi. (Bio je petak, osam sati uveče.)
     DŽON: Imamo tablicu izmerenih magnetnih polja?
     JA: Ja bih da idem kući.
     DŽON: Upotrebićemo one ogromne namotaje mrkog pakpapira i crtaćemo na njima putanje piona u razmeri jedan prema jedan...
     JA: U ponedeljak?
     DŽON: Ti radi šiberom (godina je bila 1950), a ja crtam putanje.

     Do četiri sata ujutro ostadosmo te noći i postigosmo jedno temeljno otkriće, koje je promenilo način upotrebe ciklotrona u celom svetu. Crtali smo šta bi bilo kad bi bilo; naime, nacrtali smo tragove nekih osamdeset fiktivnih čestica za koje smo zamišljali da bi mogle izletati iz mete u akceleratoru i kretati se nekim uverljivim energijama i pravcima - 40 MeV, zatim 60 MeV, pa 80 MeV i najzad 100 Mev. Na naše zaprepašćenje, čestice nisu naprosto lunjale 'posvuda'. Umešala su se snažna magnetna polja koja se šire iz ciklotrona u okolni prostor. Ta polja su hvatala pobegle čestice i usmeravala ih u jedan jedini, uzan zrak, koji je težio da se obavije oko mašine! Otkrili smo pojavu koja je kasnije dobila naziv 'fokusiranje u marginalnom polju'. Štaviše, obrtali smo te velike listove hartije - to znači, birali smo određene položaje mete - i postigli smo da pioni iz jednog širokog pojasa energije blizu 60 MeV idu pravo ka mojoj tek proizvedenoj maglenoj komori. Samo je jedna sitnica smetala pa da sve to postane stvarnost: između akceleratora i prostora u kome je dremala moja draga princeza (komora) ostajao je betonski zidić debeo tri metrića.
     Niko nije predvideo ovako nešto. Sviće jutro u ponedeljak, a nas dvojica ulogoreni ispred kancelarije direktora, spremni da se bacimo na njega sa ovim. Imali smo tri jednostavna zahteva: (1) da se u mašini meta postavi na drugo mesto; (2) da zid između vakuumske komore ciklotrona i spoljašnjeg sveta bude mnogo tanji, jer čelični oklop debeo dva i po centimetra mnogo smeta pionima koji bi želeli da iziđu u svet i (3) da se u zaštitnom betonskom zidu izbuši rupa koja bi trebalo da bude, nagađali smo mi, deset centimetara visoka, a dvadeset pet široka. Molim lepo - zahtev ispostavljaju: jedan ponizni postdiplomac i jedan sveži doktor!
     Naš direktor, profesor Judžin But (Eugene Booth), bio je džentlmen iz Džordžije i roudsovski naučenjak, pa mu se retko dešavalo da uzvikne "Tako mi svega!" Ovog puta je to učinio i ponovio. Mi smo objašnjavali, ubeđivali smo ga, pridobijali. Slikali smo vizije svetske slave. On će biti slavan! Zamislite pionski zrak izvan mašine, prvi put u istoriji!
     But nas je izbacio napolje. Ali posle ručka nas je opet pozvao unutra. (Mi smo to vreme proveli raspravljajući šta je bolje, arsenik ili strihnin.) Bernardini je u međuvremenu svratio kod Buta i But je oprobao kako će na tu zamisao reagovati naš eminentni gostujući profa. Nagađam da pojedinosti, izgovorene sa Butovim džordžijskim izobličenjem reči, Đilberto nije ni mogao da razume. (Đilberto mi je jednom u poverenju rekao: "Ma kaaako se izgovaralo? Buuus, e? Buuuš? Ne moglo izgovooori ovo americko imena!") Međutim, Bernardini nas je podržao sa tipično latinskom preteranošću i mi smo dospeli 'unutra'.
     Mesec dana kasnije sve je počelo da radi, i to uspešno - tačno kao što smo zamislili na našim skicama na pakpapiru. Za samo nekoliko dana moja maglena komora registrovala je više piona nego što su sve druge laboratorije na svetu dotad zajedno uspele. Na svakoj fotografiji (škljocali smo svakog minuta po jednu) vidiš po šest, sedam, neki put i deset predivnih pionskih tragova. Na svakoj trećoj ili četvrtoj fotografiji vidiš da se proces zavrnuo, pion nam se raspao na muon i ono nešto drugo. Ja - paf, odmah ubacim i raspad piona u moju tezu. U roku od šest meseci imali smo u upotrebi četiri različita zraka i mašina Nevis je tutnjala punom snagom, proizvodeći čitavo more podataka o odlikama pi-mezona. Prvom prilikom, Džon i ja smo otišli na hipodrom gde je Džon, u nastojanju da produži svoj zamah taličnosti, uložio pare koje su bile spremljene za naš ručak, kao i pare kojima je trebalo da kupimo benzin za povratak u laboratoriju, sve na jednog konja u osmoj trci. Ulozi su bili 28 prema jedan protiv tog konja. Džon se kladio da će baš taj pobediti. I dobio je. Stvarno je to bio momak i po.
     Džon Tinlot je svakako raspolagao sasvim izuzetnom snagom intuicije, jer kako je drugačije mogao pomisliti da ima neke koristi od tih marginalnih polja koja se probijaju iz ciklotrona u spoljašnji prostor, kad su svi drugi naučnici tu mogućnost previđali. Kasnije je Tinlot postigao izvrsnu karijeru kao profersor na Univerzitetu Ročester, ali je, u četrdeset trećoj godini, umro od raka.