NIOBIJUMSKE LOPTE

     I posle otkrivanja omege minus, i posle raznih drugih naših uspeha, ostala je činjenica da nikada nismo videli nijedan kvark. Ja ovo kažem u onom smislu kako to fizičari misle, a ne kako to misli ona skeptična stara dama u publici. Cvajg je od samog početka tvrdio da su 'asovi'/kvarkovi stvarni predmeti: entiteti koji zaista postoje. Ali kad je Džon Pipls, sadašnji direktor Fermilaba, bio mlad eksperimentator u potrazi za kvarkovima, Gel-Man mu je rekao da ne treba oko toga da se zamajava, jer kvarkovi su samo 'knjigovodstveno sredstvo'.
     Tako nešto kazati jednom eksperimentatoru, to znači baciti mu rukavicu u lice. Na sve strane su ljudi kidisali da nađu kvark. Dabome, kad god se izlepe plakati 'Traži se...' počnu da stižu i lažne prijave - nekome se 'učini' da je video. Neki su zavirivali u kosmičke zrake: ima li tu kvarkova? Neki, opet, u duboke slojeve taloga na dnu mora. Neki u fino staro vino ("Nnnnema kvarkova ovde, hik!"). Gde je taj smešni, mali električni naboj, zapretan u materiji? Svi akceleratori su upotrebljeni u pokušaju da se razbiju rešetke robijašnice i barem jedan kvark pusti na slobodu. Trebalo bi da se naelektrisanje od 1/3 ili 2/3 srazmerno lako nađe, ali većina opita ostala je bez ikakvog ishoda. Jedan eksperimentator na Stenfordskom univerzitetu upotrebio je majušne, vrlo tačno izrađene lopte od niobijuma, i saopštio da je uspeo da uhvati jedan kvark u zamku. Od tog opita nije ništa bilo zato što niko nigde nije uspeo da ga ponovi. Neki drski studenti su posle nosili majice sa natpisom: "Moraš imati niobijumske lopte ako želiš da uloviš kvark."
     Kvarkovi su bili avetinjska stvar; pošto smo mislili da ih ima tri, a trpeli neuspehe u pokušaju da otkrijemo makar samo jedan, a kao i zbog dvosmislenosti koja je od samog početka pratila zamisao kvarka, čitav koncept kvarkova ostao je napola neprihvaćen do kasnih šezdesetih godina. Tada je jedna druga klasa opita zatražila od nas da priznamo postojanje kvarkova ili bar nekih 'kvarkastih' stvarčica. Izmislili smo kvarkove da bismo objasnili postojanje i klasifikaciju ogromnog broja hadrona. Međutim, ako se proton sastoji od tri kvarka, zašto se ta tri ne pokažu? Eh, pa već odavno smo vam odali tu tajnu. Moguće je 'videti' kvarkove. To vam je opet onaj Raderfordov opit.

POVRATAK 'RADERFORDA'

     Godine 1967, pomoću novog zraka elektrona u SLAC-u preduzet je niz opita sa rasipanjem. Cilj: proučiti strukturu protona malo prodornije, 'zaseći' u protone. Visokoenergetski elektron uleti u metu koja se sastoji od vodonika; u njoj pogodi neki proton. Iziđe elektron mnogo niže energije, pod nekim velikim uglom u odnosu na putanju kojom se prvobitno kretao. One tačkaste strukture koje postoje u protonu poslužile su, dakle, u nekom smislu reči, isto kao što je služilo ono jezgro koje je Raderford gađao alfa-česticama. Isto, ali i ne baš isto, jer je ovde posredi bilo i nešto istančanije.
     Ovaj stenfordski tim predvodila su trojica naučnika: SLAC-ov fizičar Ričard Tejlor (Richard Taylor), po nacionalnosti Kanađanin, zatim Džerom Fridmen (Jerome Friedman) i Henri Kendal (Henry Kendall), obojica fizičari sa MIT-a. Njima su svojim teoretičarskim kibicovanjem ogromno pomogli Ričard Fajnmen i Džejms Bjorken. Fajnmen je unosio svoju energiju i maštu u jaka međudejstva, a naročito u pitanje: "Šta ima u protonu?" Fajnmen je ostao u Kalteku, u Pasadeni, ali je često dolazio u Stenford. Bjorken, koga svi zovu samo Bj, stenfordski je teoretičar. On se veoma zanimao za sam postupak vršenja opita, kao i za pravila koja se kriju ispod prividno 'nesazrelih' podataka. Ta pravila, smatrao je Bjork, trebalo bi da budu pokazatelj o osnovnim zakonima koji vladaju unutar 'crne kutijice' i koja kontrolišu strukturu hadrona.
     Ovde moramo da se vratimo našim dobrim starim prijateljima Demokritu i Ruđeru Boškoviću zato što su obojica u izvesnoj meri osvetlila ovu temu. Demokritov test da li nešto jeste a-tom ili nije sastoji se u tome da pitamo da li je to nešto nedeljivo. U kvarkovskom modelu, proton je lepljiva smesa tri kvarka koji se kreću brzo. Pošto su ti kvarkovi uvek nerazdvojno vezani između sebe, tokom opita čini se da je proton nedeljiv. Bošković je, međutim, dodao još jedan test. Elementarna čestica, dakle a-tom, mora biti nalik na tačku. Na ovom testu proton svakako pada. Pomenuta ekipa iz MIT-SLAC-a, uz pomoć Fajnmena i Bja, shvatila je da operativno merilo ovde mora biti ono o tačkastosti, a ne o nedeljivosti. Ti ljudi su sada morali da prenesu svoje podatke u neki model koji bi sadržao tačkaste sastavne delove; ovo je zahtevalo istančanost daleko veću nego što je Raderford u svom opitu postigao. Zato je bilo tako zgodno imati u timu dvojicu teoretičara koji su među najboljima na svetu. Ishod: podaci su nagovestili da unutar protona odista postoje tačkasti pokretni predmeti. Godine 1990. Tejlor, Fridmen i Kendal otišli su i uzeli svoju Nobelovu nagradu, dobijenu zato što su ustanovili da kvarkovi stvarno postoje. (To su ona trojica naučnika koje pominje Džej Lino na početku ovog poglavlja.)
     Jedno dobro pitanje: kako mogu ti drugari da vide kvarkove, kad kvarkovi nikad nisu slobodni? Pomislite na hermetički zatvorenu kutijicu u kojoj su tri čelične loptice. Protresate kutiju, naginjete je tamo i ovamo, osluškujete, i zaključite: tri loptice. Kudikamo finija poenta sastoji se u tome što kvarkove uvek možeš otkriti samo u blizini drugih kvarkova, što bi moglo izmeniti njihove odlike. Nešto se moralo učiniti u vezi sa ovim činiocem, ali... piano, piano.
     Teorija kvarkova pridobijala je nove pristalice, naročito među teoretičarima koji su gledali kako podaci počinju da pridodaju kvarkovima sve pouzdaniju stvarnost, kako se pojavljuju nove odlike, kako se upravo ta nemogućnost da gledamo pojedinačne kvarkove pretvara u prednost. Najpopularnija reč postade 'konfajnment' (confinement) - zatočenost, zatvorenost u ograničeni prostor, sprečenost da se iz nekog mesta iziđe. Kvarkovi ostaju tu zatočeni za sva vremena zato što, kad počnu da se udaljuju jedan od drugog, energija potrebna za dalje povećanje tih rastojanja postaje sve veća i veća. Ako baš navalimo iz sve snage, dodata energija postane dovoljno velika za stvaranje para kvark-antikvark i, gle, sad odjednom imamo četiri kvarka, a to znači dva mezona. To ti je kao da pokušavaš odneti kući samo jedan kraj nekog kanapa. Uhvatiš taj kraj, povučeš, presečeš njegovu vezu sa drugim krajem i, uh... šta se to desilo. Dobio si dva kanapa.
     Iščitavanje kvarkovske strukture na osnovu opita sa rasipanjem elektrona bilo je, u vrlo velikoj meri, monopol Zapadne obale SAD. Moram napomenuti, međutim, da je i moja grupa u Brukhejvenu u to vreme prikupljala veoma slične podatke. Često sam u šali govorio: da je taj Bjorken radio na Istočnoj obali, ja bih otkrio kvarkove.
     Kontrasti između opita u SLAC-u i Brukhejvenu pokazuju da postoji više od jednog načina da se 'odere' kvark. U oba slučaja gađan je proton. Ali Tejlor, Fridmen i Kendal koristili su kao sonde elektrone, a mi - protone. Oni su u SLAC-u bacali elektrone u 'crnu kutijicu područja sudara' i merili one elektrone koji su iz toga izlazili. Izlazilo je i mnogo štošta drugo - na primer, protoni i pioni - ali ovi drugari su to prenebregli. Mi smo u Brukhejvenu protonima gađali komad urana (da bismo pogodili protone u njemu), a pažnju smo usredsredili na parove muona koji su izlazili; njih smo merili pomno. (Ponoviću, za one među vama koji nisu pazili: elektroni i muoni su leptoni. Muon ima sve iste osobine kao elektron, sem što je dvesta puta teži.)
     Rekao sam ranije da je opit u SLAC-u bio sličan onom Raderfordovom opitu sa rasipanjem čestica, koji se završio tako što je otkriveno postojanje atomskog jezgra. Ali Raderford je naprosto gađao jezgro alfa-česticama i merio pod kojim uglom one odskaču. U SLAC-u je proces bio složeniji. Ako ćemo govoriti jezikom teorije i koristiti mentalnu sliku koju nam nudi matematika, elektron koji se sjuruje ka maloj crnoj kutiji šalje ispred sebe, u nju, jedan foton. Taj foton je glasnik. Ako glasnik ima baš one prave, potrebne osobine, može se desiti da ga jedan od kvarkova apsorbuje. Ako elektron izbaci iz sebe jedan uspešan foton-glasnik (takav koji bude u crnoj kutijici pojeden), posledica je to da se izmene i energija i kretanje tog elektrona. Sad elektron izlazi iz crne kutijice oslabljen, a naučnici ga izmere. Drugim rečima, energija izlazećeg elektrona kaže nam nešto o bačenom i pojedenom fotonu-glasniku i, što je još važnije, o onome što je glasnika pojelo. Uočeni obrazac fotona-glasnika mogao se tumačiti samo na jedan način: naime, da ih je u protonu uvek apsorbovalo po jedno 'nešto' koje je tačkasto.
     U dimuonskom opitu (tako je nazvan jer smo proizvodili po dva muona) u Brukhejvenu, šaljemo visokoenergetske protone u oblast crne kutijice. Energija tog protona dovodi do toga da iz mesta sudara bude izračen jedan foton-glasnik koji krene napolje, da iziđe iz crne kutijice; ali pre nego što to postigne, raspadne se na muon i odgovarajući antimuon. Te dve čestice izlete iz crne kutijice i budu izmerene. Ovo nam kaže nešto o odlikama fotona-glasnika, a to smo doznavali i u SLAC-ovom opitu. Međutim, opit sa parom muona teorijski je shvaćen tek 1972. godine, a i posle toga bilo je potrebno još mnogo drugih, istančanih dokaza da bi se najzad stiglo do tačnog tumačenja.
     Ovo tumačenje prvi su izložili Sidni Drel (Sidney Drell) i njegov student Tung Mo Jan (Tung Mo Yan) na Stenfordu; nimalo iznenađujuće, jer stenfordovcima su muoni u krvi. Njihov zaključak: naš foton-glasnik (onaj iz koga se rađa muonski par) nastaje tako što jedan od kvarkova u pristižućem brzom protonu ostvari sudar sa jednim antikvarkom u pogođenoj meti, pri čemu, dabome, taj kvark i taj antikvark moraju međusobno da se anihiliraju. Ovo je širom sveta poznato kao 'Drel-Janov opit' iako smo mi smislili i izveli ceo opit, a Drel i Jan 'samo' pronašli pravo tumačenje.
     Kad je Ričard Fajnmen za moj dimuonski opit napisao, u jednoj svojoj knjizi, da je 'Drel-Janov opit' - šalio se čovek - ja sam telefonirao Drelu i rekao mu da pozove sve one građane koji su kupili tu Fajnmenovu knjigu i da svakom ponaosob saopšti da treba precrtati imena Drel i Jan na strani 47 i iznad toga upisati ime Ledermen. (Nisam se usudio da dosađujem Fajnmenu.) Drel je rado pristao i pravda je trijumfovala.
     Od tih vremena do danas, opit Drela, Jana i Ledermena izveden je u svim laboratorijama i svuda je pružio dokaze - koji se međusobno uklapaju i potvrđuju - o tačnim načinima na koje kvarkovi grade protone i mezone. Pa ipak, ovo nije navelo baš sve fizičare da poveruju u postojanje kvarkova. Preostalo je nešto skepticizma. A mi smo sve to vreme imali u Brukhejvenu dokaz, dokaz koji je mogao sve skeptike da ubedi, a koji nam je naprosto bô oči... ali nismo znali šta on znači.
     Izveli smo naš opit 1968. godine, i to je bio prvi opit te vrste na svetu. Osmatrali smo glatko povećanje proizvodnje muonskih parova, koje je nastupalo uporedo sa povećanjem mase upotrebljenih fotona-glasnika. Foton-glasnik može da ima prolaznu masu ma koje vrednosti, ali što je ta vrednost veća, to je kraći vek tog fotona, a i teže ga je napraviti. Sad, Hajzenberg. Opet on. Pamtite, što je veća masa, to je manji delić prostora koji može biti istražen; pošto je to tako, trebalo bi da vidimo, pri povećavanju energije protona, sve manji broj događaja sa porastom energije (sve manji broj muonskih parova, dakle). Uzmemo dobijene podatke i bacimo ih u koordinatni sistem. Dobijemo jedan grafikon, to jest jednu krivu. Položena osa, x-osa, služi za to da na njoj označavamo sve veće i veće mase. Uspravna osa, y-osa, služi da naznačimo koliko je muonskih parova proizvedeno. Trebalo bi da dobijemo krivu ovog oblika:



     Očekujemo, dakle, glatku silaznu liniju koja bi značila proizvodnju sve manjeg i manjeg broja muonskih parova kad se povećava energija fotona koji bi hteo da izleti iz crne kutijice. Ali umesto toga, dobijemo nešto otprilike ovako:



     Negde oko 3 GeV, dakle na tom nivou mase, glatko spuštanje niz krivu bilo je narušeno tako što se pojavila jedna 'grbina' za koju se sad kaže da je Ledermenova grba. Takvo ispupčenje na grafikonu pokazuje da se desilo nešto neočekivano, u ovom slučaju neki događaj koji ne može biti objašnjen samo postojanjem fotona-glasnika. Očigledno, još nešto je 'sedelo' na Drel-Janovim događajima. Tad smo prvi put jasno i čisto promašili nešto što ćemo tek kasnije otkriti i što će biti konačni dokaz stvarnosti kvarkova.
     To što se grickamo što nismo prvi otkrili tačkastu strukturu protona i što su švedskim dekretom dodeljene Nobelove nagrade Fridmenu, Kendalu i Tejloru ne znači da smo stvarno ljuti. Čak ni Bjorken, da je bio kod nas, možda ne bi mogao da prozre, godine 1968, sve fine veze između brukhejvenskih dimuona i kvarkova. Svejedno, dimuonski opit je, u retrospektivi sagledano, moj najomiljeniji. Tako originalna zamisao, tako maštovita, tehnički zaista detinjasto jednostavna za izvođenje - toliko jednostavna da sam propustio da vidim otkriće decenije, koje je bilo tu. Podaci su se nalazili na tri mesta: najpre je tu bio Drel-Janov dokaz o tačkastoj strukturi; drugo, dokaz da postoji koncept zvani 'boja' u apsolutnim iznosima (o tome ćemo kasnije); a treće je otkriće J/Psi - džej-psi (odmah nailazi). Svaki pojedini od ta tri sastojka bio je nobelovskog kvaliteta. Da smo shvatili onako kako je trebalo da shvatimo, švedska Kraljevska akademija mogla je da uštedi sebi bar dve nagrade!

NOVEMBARSKA REVOLUCIJA

     Dva opita, jedan započet 1972, a drugi 1973, izmenila su fiziku. Jedan je bio u Brukhejvenu, nekadašnjem vojnom logoru, među kržljavim borićima na pesku, samo deset minuta daleko od jedne od najlepših plaža na svetu, na južnoj obali Long Ajlenda, koji, kao dobar domaćin, prima okeanske talase što se do njega valjaju maltene od Pariza. Drugi opit bio je u SLAC-u, u smeđim brdima iznad stenfordskog studentskog grada koji je izgrađen u španskom stilu. Oba ta opita bila su pecanje u mutnoj vodi. Ni jedan ni drugi nije bio jasno motivisan, ali kad su se sudarili, to je tako tresnulo da je zvuk obleteo svet. Događaji sa kraja 1974. godine ostaju zabeleženi u istoriji fizike kao Novembarska revolucija, o kojoj se priča i pripoveda kad god fizičari sednu da zbore o vremenima starim i junacima iz davnina i da pijuckaju 'Perijer'. A predistorija te revolucije jeste teoretičarsko uverenje, koje je njima maltene religija, da priroda mora biti lepa, simetrična.
     Prvo da napomenemo da hipoteza o postojanju kvarkova nije značila nikakvu pretnju statusu elektrona kao elementarne čestice, a-toma. Samo, sada su postojale dve klase tačkastih čestica - kvarkovi i leptoni. Elektron, muon i neutrino su leptoni. I sve je moglo biti fino, da nisu Švarc, Stajnberger i Ledermen zabrljali celu stvar onim opitom sa dva neutrina. Odjedanput je ispalo da imamo četiri leptona (elektron, elektronov neutrino, muon, i muonov neutrino), a samo tri kvarka (gore, dole i čudni). Tabela o tome mogla je, godine 1972, izgledati, napisana fizičarskim sažetim sistemom notacije, ovako:

     kvarkovi: u d s
     leptoni: e m
     nenm
     Bljak. Fuj. Ne, ne, ne biste vi napisali takvu tablicu jer bila bi bez veze. Leptoni lepo sređeni dva po dva, a odeljenje kvarkova srazmerno ružno, samo tri komada, u jednoj epohi kad su fizičari već bili razočarani brojem 3.
     Teoretičari Šeldon Glešou i Bjorken davali su već 1964. primedbe koje su manje-više značile da bi bilo naprosto šarmantno kad bi postojao četvrti kvark. Time bi bila obnovljena simetrija između kvarkova i leptona, ona simetrija koju smo upropastili otkrićem muonskog neutrina, četvrtog leptona. Godine 1970. pojavio se nešto jači teorijski razlog da se veruje u postojanje četvrtog kvarka; Glešou i njegovi saradnici istakli su argumente za to, složene, ali divne. Od tada je Glešou bio strastveni borac za kvarkove. Inače, malo ko kaže 'Glešou'; njega i obožavaoci i protivnici zovu skraćeno Šeli. E, vidite, Šeli je napisao nekoliko knjiga i u njima dokazao da može stvarno vrlo strastveno da se bavi tim svojim advokatisanjem u prilog kvarkova. Šeli je jedan od glavnih arhitekata našeg standardnog modela, ali je mnogo cenjen i zbog svojih priča, cigara i kritičkih komentara o trendovima u teoriji.
     Glešou je organizovao čitav marketing za tu svoju zamisao o četvrtom kvarku. Dao mu je i naziv - šarm. Putovao je na nebrojene seminare, radionice i konferencije, i svuda insistirao da eksperimentatori treba da tragaju za kvarkom šarm. Njegova zamisao bila je da ćemo pomoću tog novog kvarka i pomoću nove simetrije u kojoj kvarkovi takođe dolaze svaki sa svojim parnjakom - gore/dole i šarm/čudni - uspeti da izlečimo mnoge patologije (doktore, boli me ovde) u teoriji slabe sile. Uspelo bi, na primer, poništavanje nekih reakcija koje su bile predviđane, a nikad opažene. Malo-pomalo, Šeli je pridobijao kolege; imao je, bar među teoretičarima, sve više pristalica. U leto 1974. godine, jedan prekretni pregled dotadašnjih postignuća pod naslovom "Traganje za kvarkom" objavili su zajednički Meri Gajar (Mary Galliard), jedna od tragično malobrojnih žena u fizici, izvanredan teoretičar, među vrhunskim; Ben Li i Džon Rosner (Jon Rosner). Ovaj njihov članak bio je za eksperimentatore naročito poučan zato što je ukazivao na to da takav kvark, hajde da ga nazovemo c, i njegov antikvark, c, mogu da budu napravljeni u crnoj kutijici i da iz nje iziđu kao jedan neutralni mezon u kome su spojeni c i c. To troje su čak nabacili zamisao da stari brukhejvenski podaci moje grupe o parovima muona mogu biti dokaz da se c c raspadaju na dva muona i da bi to moglo biti tumačenje Ledermenove grbine kod 3GeV. To znači da bi masa te stvari, tog c c, trebalo da iznosi 3GeV.

LOV NA DŽOMBU

     Ipak, bile su to samo teoretičarske pričancije. U nekim objavljenim istorijatima Novembarske revolucije tvrdi se da su eksperimentatori radili do besvesti naporno da bi potvrdili zamisli teoretičara. Svakom takvom istoričaru kažem: sanjaj, sanjaj. Eksperimentatori su pecali naslepo, ne znajući šta bi iz toga moglo ispasti. U Brukhejvenu je bio 'lov na džombu' - traganje za nekom neravninom u podacima, za nečim što bi moglo prevrnuti zaprežna kola puna jabuka, a ne stabilizovati ih.
     Dok su Glešou, Gajarova i još neki ljudi pričali o šarmu, eksperimentatori su bili zaglibljeni u neke druge, svoje probleme. Svakome je već bilo jasno da je u toku svojevrsno takmičenje između kolajdera elektron-pozitron (e- e+) i akceleratora protona. Podelili smo se na dve vrste naučnika, leptonce i hadronce. Između nas se vodila žustra rasprava. Elektroni su postizali slabe učinke, ali podržavala ih je propagandna kampanja tako jaka - to je trebalo da čujete! Pošto se smatra da je elektron tačka bez ikakve strukture, onda elektron, naravno, nudi jedno čisto početno stanje u vršenju opita: ispališ jedan e- (elektron), a u suprotnom smeru, elektronu u susret, jedan e+ (pozitron), i oni ulete u crnu kutijicu, prostor u kome se sudare. Čisto, jasno. Početni je korak (insistiralo se u tom modelu) taj da sudar čestice i antičestice dovede do stvaranja jednog fotona-glasnika čija će energija biti jednaka zbiru energija dvaju čestica koje su se zakucale jedna u drugu.
     Taj foton-glasnik živi veoma kratko, a onda se materijalizuje u parove čestica odgovarajuće mase, energije, spina i drugih kvantnih brojeva koji su nametnuti zakonima o očuvanju. Taj par čestica izlazi iz crne kutijice i mi vidimo, najčešće, (1) još jedan par e+ e-, (2) par muon-antimuon, ili (3) hadrone u širokoj raznovrsnosti kombinacija, ali uvek ograničene početnim uslovima - energijom i kvantnim odlikama onog fotona-glasnika. Raznovrsnost mogućih konačnih stanja, koja sva proističu iz jednostavnog početnog stanja, pokazuje da je ova tehnika vrlo moćna.
     Uporedite ovo sa sudarom dva protona. Svaki se sastoji od po tri kvarka, koji jakom silom deluju jedni na druge. Šta to znači 'deluju'? To znači da između sebe vrlo brzo razmenjuju - to jest, jedan drugome dodaju - gluone, čestice koje su prenosioci jake sile. (Kasnije u ovom poglavlju govorićemo i o gluonima.) Da bi naš nelepi proton bio još zamršeniji, uvek se može desiti da neki gluon, dok putuje od, recimo, jednog gore do jednog dole kvarka, za tren zaboravi svoju dužnost i da se materijalizuje (kao što čine fotoni-glasnici) u jedan, bilo koji, kvark i u njegov antikvark, na primer u s i s. Ta pojava para s s veoma je kratkotrajna, pošto gluon mora opet da se vrati 'k sebi', mora da postane ono što je i bio, na vreme da stigne na cilj i da na cilju bude apsorbovan. Ali ipak, tokom tog jednog trena, proton je složeniji nego inače.
     Fizičari koji su, hteli-ne hteli, morali da rade samo sa akceleratorima elektrona (jer nisu imali one za protone) podrugljivo su govorili, ne baš sasvim netačno, da je proton 'kanta za smeće', a sudar dva protona ili jednog protona i jednog antiprotona - sudar dve kante prepune đubreta, i da iz sudara izleću ljuske od jaja, kore od banana, ogrizine i splačine, kao i pocepani kladionički tiketi.
     Tokom školske 1973-74. godine, stenfordski elektron-pozitron (e- e+) kolajder nazvan SPEAR, počeo je da prikuplja podatke. Odmah je naleteo na jedan neobjašnjiv rezultat. Sudari su češće nego što je to teorijski bilo predviđeno davali hadrone. Priča je zamršena, a bila je i prilično dosadna sve do oktobra 1974. Fizičari sa SLAC-a, predvođeni Bartonom Rihterom (Burton Richter), koji ih u stvari ipak nije predvodio, jer je po staroj dobroj tradiciji vođa grupa bio baš tih dana odsutan, počeli su da ulaze u trag i korak po korak da se primiču nekim čudnovatim dejstvima koja su iskrsavala kad je zbir energije dvaju sudarenih čestica bio oko 3,0 GeV, a to je, kao što se možda sećate, jedna sugestivna masa.
     Stvar je konačno zabiberena time što je pet hiljada kilometara istočno odatle, u Brukhejvenu, jedna grupa sa MIT-a ponavljala onaj naš opit iz 1967. godine, onaj dimuonski. Šef je bio Semjuel Č. Č. Ting (Samuel C. C. Ting). Za tog tipa se pričalo da je bio zapovednik svih mladih izviđača u Republici Kini (onoj ostrvskoj, na Tajvanu). U svakom slučaju, doktorirao je u Mičigenu, odradio jedno polugodište kao mladi doktor u CERN-u, a onda se početkom šezdesetih godina pridružio mojoj grupi kao docent na Kolumbiji, dakle profesor. Tu su neke njegove oštre ivice još malo izoštrene.
     Precizan, do sitnica savestan, silno odan poslu, eksperimentator koji zaista ume da organizuje stvari, ovaj Ting radio je sa mnom na Kolumbiji nekoliko godina, zatim je proveo nekoliko dobrih godina i u laboratoriji DESI (DESY) blizu Hamburga, u Nemačkoj, onda je prešao da bude profesor na MIT-u. Tu je brzo postao jedna od naših glavnih snaga (recimo da je zauzeo peto mesto - šesto? - po značaju) u istraživanju čestica. Pisao sam o njemu pismo sa preporukama i uputio to MIT-u, kad je trebalo da se on tamo zaposli; a u pismu sam malo i preuveličao neke njegove slabe strane - što je stara dobra fora kad stvarno hoćeš da neko bude primljen - preuveličao, rekoh, samo da bih na kraju pisma mogao da zaključim: "Ting - vruć i kiseo kineski fizičar." Uistinu je meni Ting malo i smetao zato što je, kad sam bio dete, moj tata bio vlasnik perionice veša, a s druge strane ulice bila je druga, konkurentska perionica, čiji je vlasnik bio jedan Kinez; tada sam se naslušao priča o Kinezima kao našim takmacima. Zato se i danas unervozim kad se u blizini pojavi bilo koji fizičar Kinez.
     Dok je radio na elektronskoj mašini u laboratoriji DESI, postao je stručnjak za analize e+ e- parova nastalih u elektronskim sudarima; zato je sada zaključio da bi otkrivanje parova elektrona bilo bolji način da se izvede Drel-Janov, uuups, pardon, Tingov dileptonski opit. Tako se, dakle, desilo da godine 1974. Ting bude u Brukhejvenu i da, za razliku od kolega u SLAC-u koji su sudarali elektrone i pozitrone, upotrebljava samo visokoenergetske protone, baca ih u stacionarnu metu i onda naprosto posmatra parove e+ e- kako izleću iz crne kutijice. Ali on ih je posmatrao pomoću najnovijeg na svetu instrumenta za to, pomoću detektora daleko tačnijeg nego što je bila ona skalamerija koju smo mi skucali sedam godina pre toga. Koristeći Čarpakove (Charpak) žičane komore, Ting je uspevao da izmeri, i to tačno, masu fotona-glasnika, ili bilo koje druge čestice koja iz sebe rodi pomenuti par elektron-pozitron. Pošto i muoni i elektroni jesu leptoni, stvar je tvoje naklonosti koji ćeš par radije da posmatraš. Ting je krenuo u lov na džombu, nastojao je da upeca možda neku novu pojavu, a ne da potvrdi ma koju postojeću hipotezu. "Volim da jedem kinesku hranu sa teoretičarima", rekao je Ting (priča se) jednom prilikom, "ali provesti čitav život radeći ono što teoretičari predlažu - to bi bilo gubljenje vremena." Baš je prikladno da takav čovek nađe kvark zvani šarm.
     Sudbina je htela da obe grupe, i ona u Brukhejvenu i ona u SLAC-u, dođu do istog otkrića; ali, sve do 10. novembra 1974, te dve grupe eksperimentatora nisu znale gotovo ništa jedna o radu one druge. Zbog čega, onda, kažemo da su ta dva opita u međusobnoj vezi? SLAC-ov opit baca elektron na pozitron i kao prvi korak dobija se jedan virtuelni foton. Brukhejvenski opit ima, na samom svom početku, situaciju koja je grozno zapetljana, ali onda ipak posmatra virtuelne fotone, ako - i samo ako - oni iziđu iz gužve i rasture se u parove e+ e-. Dakle, oba opita imaju posla sa fotonom-glasnikom, koji može imati bilo koju privremenu masu/energiju (ona zavisi od snage sudara). Dobro provereni model onoga što se dešava u SLAC-ovom sudaru glasi ovako: stvori se foton-glasnik, koji se može 'rastvoriti' na hadrone - recimo, na tri hadrona, ili na pion i dva kaona, ili na proton, antiproton i dva piona, ili na par elektrona, ili muona i tako dalje. Mogućnosti su mnogobrojne i uvek su u skladu sa ulaznom energijom, kao i sa impulsom, spinom i drugim ulaznim činiocima.
     Prema tome, ako postoji nešto novo čija je masa manja od zbira energija dva zraka što se sudaraju, onda i to nešto može u ovom sudaranju da nastane. Štaviše, ako ta nova 'stvar' ima one iste, popularne kvantne brojeve koje i foton ima, onda ta stvar može i da dominira u reakciji, ako je zbir dvaju energija tačno jednak masi pomenute nove stvari. Meni su neki ljudi pričali da operski pevač, ako istrajno peva određenu notu odgovarajućom snagom, može prisiliti finu vinsku čašu da se rasprsne. Nove čestice se rađaju otprilike tako.
     U brukhejvenskoj verziji, akcelerator baca protone u nepomičnu metu, a to je, u ovom slučaju, komad berilijuma. Kad protoni, koji su prilično krupne čestice, stanu da udaraju u berilijumova jezgra, koja su takođe prilično krupna, počne da se dešava sve i svašta. Kvark naleti na kvark. Neki drugi kvark naleti na antikvark. Treći, opet, na gluon. Ili gluon naleti na gluon. Koliko god da je visoka energija akceleratora, dešavaju se uvek i sudari na mnogo nižim energijama, jer kvarkovi koji su sastavni delovi jednog protona uzimaju svaki za sebe po jedan deo protonove energije, ali samo deo, nijedan je ne uzima za sebe celu. Zbog svih tih razloga, leptonski parovi koje je Ting merio da bi tumačio svoj opit izlazili su iz mašine manje-više nasumično. Prednost takvog složenog početnog stanja sastoji se u tome što imaš bar neke, male izglede da proizvedeš sve što se sa tom energijom proizvesti može. Jer toliko toga se dešava u sudaru dve kante pune otpadaka. Nezgoda je što onu novu stvar moraš nekako da nađeš u gomili koječega drugog. Da bi čovek dokazao da nova čestica postoji, mora da ponovi ceo proces mnogo puta, i to uspešno, i rezultati moraju biti međusobno u skladu. Za ovo ti je potreban dobar detektor. Na sreću, ovaj Tingov je bio stvarno majstorski.
     SLAC-ovo 'koplje' (SPEAR) bilo je u svemu suprotnost. Oni su tamo treskali elektron o pozitron, samo to, uvek. To je jednostavno. Dve čestice, obe tačkaste, materija i antimaterija, sudare se i uzajamno anihiliraju. Materija nestane, pretvarajući se u čistu svetlost, u foton-glasnik. To je jedan paketić energije, koji se posle opet zgusne u materiju. Ako zrak sa jedne strane donosi energiju od, recimo, 1,5525 GeV, a drugi, suprotan zrak isto toliko, ti dobiješ u svakom sudaru energiju koja je jednaka njihovom zbiru, dakle 3,105 GeV. Ako postoji neka čestica čija je masa baš tolika, sasvim je moguće da nećeš proizvesti foton nego tu česticu. Maltene si prisiljen da je otkriješ: mašina i ne može drugo. Energija sudara koji se u njoj dešavaju predodređena je. Ako se želi postići neka druga energija, naučnici moraju da isključuju i ponovo uključuju magnete i da obave druga podešavanja. Stenfordski fizičari umeli su da podešavaju energiju svoje mašine mnogo tačnije nego što je pri njenoj izgradnji bilo predviđeno; to je veliki tehnološki uspeh. Ja, iskreno, nisam mislio da je to izvodivo. Teškoća kod mašine kao što je SPEAR sastoji se u tome što moraš kroz vilajet energije ići polako, korak po korak, izuzetno malim koracima; to je jedno strpljivo pretraživanje. Ali ako pogodiš odmah onu pravu energiju, ili ako ti neko došapne, dojavi - a o tome se uskoro povela rasprava - onda možeš da otkriješ novu česticu i za dan ili dva.
     Vratimo se opet, za trenutak, u Brukhejven. Školske 1967-68. godine, kad smo primetili neobičnu dimuonsku grbinu, naši podaci kretali su se u rasponu od 1 GeV do 6 GeV, a broj muonskih parova opaženih pri 6 GeV bio je samo milioniti deo onog broja koji smo opažali na 1 GeV. Na 3 GeV nastajalo je to naglo izravnavanje krive koja pokazuje opadanje, dakle opadanje se prekidalo, a već kod, približno, 3,5 GeV naglo se nastavljalo jednim strmim padom. Otud grba. Možete i drugačije reći: to je jedan plato između 3 i 3,5 GeV. Godine 1969, kad smo se spremali da objavimo rezultate (nas sedmorica autora, zajedno), raspravljali smo kako da opišemo taj plato. Da li tu postoji neka nova čestica, čije je dejstvo razmrljano zato što naš detektor u znatnoj meri izobličuje rezultate? Ili je to neki novi proces što proizvodi fotone-glasnike koji daju drugačiji 'prinos' energije? Niko nije znao, godine 1969, kako nastaju muonski parovi. Ja sam presudio: ti podaci nisu dovoljno dobri da bismo na osnovu njih izjavili da smo postigli otkriće.
     Dobro. U jednom dramatičnom suočavanju naučnika, koje se dogodilo 11. novembra 1974. godine, pokazalo se da i slakovci i brukhejvenovci imaju jasne podatke o tom proširenju na 3,105 GeV. U SLAC-u su uspevali da podese svoju mašinu na tačno tu energiju (što nije nimalo lako!) i tada su njihovi brojači naprosto ludeli, pokazivali su sto puta veći broj događaja, ali se sve vraćalo na normalnu vrednost čim bi se akcelerator podesio na 3,100 ili na 3,120. Ova rezonancija nije ranije pronađena upravo zato što je tako oštra; ta ista grupa istraživača prešla je već ranije preko te teritorije, ali nije primetila šta se dešava tačno na 3,105. U Tingovim brukhejvenskim podacima izlazeći parovi leptona, tačno izmereni, pokazivali su oštru izbočinu sa središtem na 3,10 GeV. Ting je, kao i kolege u SLAC-u, zaključio da to može značiti samo jedno: da je otkrio neko novo stanje materije.
     Problem ko je pre postigao ovo otkriće pokazao se kao prilično trnovit. Ko je bio prvi? Poletele su glasine, zatim i optužbe. Jedna optužba bila je da su slakovci nekako 'nanjušili' Tingove preliminarne rezultate i da su zato znali gde treba da gledaju. Protivoptužba je glasila da je Tingova izbočina bila nedovoljno jasnog oblika i da su je brukhejvenovci masirali još satima posle slakovskog otkrića - još nekoliko sati - a onda objavili. Slakovci su novom predmetu dali naziv y (psi), a Ting ga je nazvao J (džej). Danas se za tu česticu najčešće kaže "džej-psi", dakle, J/y. Obnovili smo ljubav i slogu u našoj zajednici. Onako. Otprilike.

ČEMU FRKA? ZAŠTO KISELO GROŽĐE?

     Sve je to zanimljivo, može biti, ali zašto tolika frka oko te jedne stvarčice? Vest o otkriću ostvarenom i istovremeno objavljenom 11. novembra raširila se u trenu po celoj planeti. Jedan CERN-ov naučnik ovako opisuje taj dan: "Bilo je neopisivo. Po hodnicima su svi pričali samo o tome." U nedelju se na naslovnoj strani lista 'Njujork Tajms' pojavio naslov: PRONAĐENA NOVA, IZNENAĐUJUĆA VRSTA ČESTICE. Ili u časopisu 'Sajens': DVE NOVE ČESTICE ODUŠEVILE I ZBUNILE FIZIČARE. Glavni stari autoritet među piscima o nauci, Volter Saliven (Walter Sullivan), pisao je kasnije u 'Njujork Tajmsu': 'Takva opšta vika i galama u svetu fizike događa se retko, ili nikad... a ovoj galami kraj se još ne vidi.' Samo dve kratke godinice kasnije, 1976, dobiše Ting i Rihter Nobelovu nagradu. Zajedno.
     Ta vest, o nagradi, doprla je i do mene. Tada sam vredno radio na jednom Fermilabovom opitu koji je bio označen, malo egzotično, kao 'opit E-70'. Sedim, evo, danas u mojoj radnoj sobi, sedamnaest godina posle te njihove Nobelove nagrade, i razmišljam. Mogu li se sada prisetiti svojih tadašnjih osećanja? Kao naučnik, kao fizičar koji se čitavog života bavio elementarnim česticama, bio sam presrećan zbog postignutih otkrića, mada ne bez malo zavisti i malo, sasvim malo želje da poubijam ove što su otkrili nešto pre mene. To su normalne reakcije. Ali ja sam se prvi šetao tim područjem - Ting je samo ponovio moj opit! Istina je da detektorske komore kojima je on raspolagao nisu još postojale u školskoj 1967-68. godini. Pa ipak, moj stari brukhejvenski opit imao je u sebi elemente za barem dve Nobelove nagrade... da smo samo imali malo bolji detektor, i da je Bjorken bio na Kolumbiji, i da smo bili samo malo pametniji... A da je moja baba imala točkove - tako smo u ono doba zavitlavali razne uzdisatelje za propuštenim - bila bi trolejbus.
     Nemam, zaista, koga da krivim osim samog sebe. Primetio sam, primetio sam onu tajanstvenu izbočinu godine 1967, i šta sam onda uradio? Opredelio sam se da proučavam fiziku dileptona na novim mašinama, sa višom energijom, koje su upravo tada počele da se upotrebljavaju. Trebalo je da u CERN-u, 1971. godine, bude svečana inauguracija novog kolajdera proton-proton, nazvanog ISR, čija bi delotvorna energija bila dvadeset puta veća nego kod onoga u Brukhejvenu. I zato sam ispustio moju brukhejvensku pticu u ruci i podneo predlog za opit CERN-u. I kad je taj opit počeo da daje podatke, godine 1972, opet sam prevideo da se u njima krije džej-psi, ovoga puta zbog besomučnih pozadinskih smetnji; nas su mitraljirali neočekivani pioni. Kriv je i naš, tada prvi put upotrebljeni, detektor sa olovnim staklom. Nismo znali da ga mašina zasipa zračenjem. Doduše, to pozadinsko zarčenje pokazalo se, samo po sebi, kao značajno otkriće: otkrili smo hadrone sa visokim transverzalnim impulsom, što je još jedna vrsta podataka koja ukazuje na kvarkovnu strukturu unutar protona.
     Nije to sve. Takođe 1971. godine Fermilab se pripremao da krene sa mašinom od 200 GeV. Ja sam se kladio i na nju. Taj Fermilabov opit preduzeli smo početkom 1973. godine, a moj izgovor što ni tad nisam pronašao džej-psi jeste... Šta reći. Mi smo hteli tako nešto da radimo, ali nije nam to došlo na red, pažnju su nam skrenuli čudnovati podaci koje su pojedine grupe istraživača dobijale u tom sasvim novom Fermilabovom ambijentu. To nas je odmamilo u kojekakve uzaludnosti, u poslove od kojih na kraju nije bilo ništa. Dok smo stigli da se najzad posvetimo dileptonima, Novembarska revolucija već je bila čvrsto postavljena u istorijske knjige. Dakle, ja sam se rekordno ispromašivao, ja sam tri puta prevideo džej-psi, jednom u Brukhejvenu i dvaput na novim mašinama, što je svojevrsno dostignuće u neuspešnosti jednog fizičara čestica.
     Još nisam odgovorio na pitanje šta je tako izuzetno važno kod čestice džej-psi. Ona je hadron. Ali mi smo pre toga otkrili stotine hadrona. Čemu, onda, uzbuna oko još jednog, pa makar dobio i tako neobičan naziv kao što je džej-psi? Uzbuna je zato što džej-psi ima veliku masu, tri puta je teži od protona, a osim toga ta masa mu je vrlo 'oštra', manje od 0,05 MeV tamo ili ovamo.
     Oštra? Da, a evo šta to znači. Nestabilna čestica ne može da ima jednu tačno iskazanu i određenu masu. To vam lepo piše u Hajzenbergovim relacijama neodređenosti. Što je kraći životni vek čestice, to je šira njena distribucija mase. To su kvantna posla. Kad kažemo 'distribucija mase', to znači da nizom merenja dobijemo razne rezultate, razne mase, a kad ih sve nanesemo na koordinatni sistem, dobijemo jednu krivu liniju koja ima zvonasti Gausov oblik dobro poznat iz statistike, to jest iz zakona verovatnoće. Odredimo gde je sam vrh te zvonaste krive linije i ako je vrh na 3,105 GeV, onda kažemo da to jeste masa te čestice. Istina je, međutim, da je ovo 'razmazivanje' masenih vrednosti, zapravo, mera trajanja života te čestice. Znamo da se neodređenost odražava u merenjima. To možemo da razumemo i ovako: kad je jedna čestica stabilna, imamo na raspolaganju beskonačno dugo vreme da merimo njenu masu. Zato je raširenost u levu i desnu stranu (dakle: različitost, nepodudarnost) izmerenih masa te čestice beskonačno sužena, beskrajno uska. A kad je čestica veoma kratkovečna, onda njenu masu ne možemo (čak ni u načelu, niti u praktičnom radu, pa čak ni najgenijalnijim, najfinijim aparatima) da izmerimo tačno; svakako ćemo dobiti rezultate, to jest različite iznose, a ove razlike biće veoma široke. Evo primera. Tipična čestica jakog međudejstva raspada se posle samo 10-23 sekundi i ima ovu masenu raširenost od oko 100 MeV.
     Još nečeg da se prisetimo. Primetili smo da su nestabilni svi hadroni osim jednog jedinog, a taj jedan je proton, pa i on je stabilan samo kad je slobodan (sam). Što je veća masa nekog hadrona (ili bilo koje druge čestice), to mu je kraći život, jer postoji veći broj stvari na koje se može raspasti. Međutim, našli smo, eto, džej-psi čija je masa ogromna (godine 1974. to je bila najteža od svih poznatih čestica), ali kakav šok! Opažena raspodela mase bila je izuzetno oštra, preko hiljadu puta uža nego što bi se očekivalo kod tipične čestice jakog međudejstva. Po tome smo znali da će ova čestica imati dug život. Dakle, nešto ju je sprečavalo da se raspadne.

GOLI ŠARM

     A šta?
     Teoretičari su svi do jednog digli ruke i glasali ovako: tu postoji neki novi kvantni broj ili, srodno tome, deluje neki novi zakon očuvanja. Koja vrsta očuvanja bi to bila? Koja je to nova stvar koja biva očuvana? Ah, sada je žagor, svaki teoretičar odgovara drugačije. Ova situacija potrajala je neko vreme.
     Nastavilo se priticanje podataka, ali samo sa e+ e- mašina. SPEAR-u se jednog dana pridružio kolajder ADONE u Italiji, zatim i DORIS u Nemačkoj. Još jedna grba pokazala se na 3,7 GeV. Nazovimo je y' (psi prim), više nema potrebe da pominjemo nikakvo 'džej', pošto je sad stvar bila u celosti stenfordska. (Ting i njegovi sadruzi ispali su iz igre; njihov akcelerator je jedva uspeo da otkrije tu česticu, a o nekom daljem poboljšanju podataka na njemu nije moglo biti ni govora.) Ali uprkos grozničavim naporima, nikako se nije nalazilo objašnjenje za iznenađujuću oštrinu džej-psija.
     Konačno je jedno nagađanje počelo da zvuči razumno. Možda je džej-psi onaj odavno čekani 'atom' nastao vezivanjem c i c, dakle šarm kvarka i njegovog antikvarka. Oduševljeni Glešou predloži novi naziv za džej-psi: 'šarmonijum' (charmonium). Na kraju se ispostavilo da je ta teorija tačna, ali tek posle dodatnih napora i nagađanja koji potrajaše još dve godine. Razlog što je trebalo toliko dugo čekati na potvrđivanje da je to takav 'atom' sastojao se u tome što prilikom kombinovanja c i c, sve inherentne odlike šarma bivaju izbrisane. Što god c unese, c poništi. Svi mezoni se sastoje od po jednog kvarka i jednog antikvarka, ali ne od kvarka i upravo njegovog, istovrsnog antikvarka, kao harmonijum. Pion (pi-mezon) je, recimo, ud.
     Krenula je potera za 'golim šarmom', a to bi bio mezon u kome bi jedan kvark šarm bio spregnut sa, recimo, kvarkom antidole. Kvark antidole ne bi poništavao odlike svog partnera, pa bi šarm bio, u svoj svojoj goloj slavi, izložen našim pogledima. To je najbolje posle onog što bi bilo još mnogo bolje, ali ne može postojati, a to je slobodni šarm kvark. Godine 1976. nađen je jedan mezon sa golim šarmom, cd. Ovo je postigla jedna grupa slakovaca sa Berklija, pod rukovodstvom Gersona Goldhabera (Gerson Goldhaber) na stenfordskom kolajderu e+ e-. Tom mezonu dat je naziv D0 (de nula). Sledećih petnaest godina, mašine sa elektronima bile su zauzete upravo proučavanjem de nule. Danas mezoni kao što su cd, cs i cd jesu glavno žito za onu vodenicu koja proizvodi doktorske titule. Složenom spektroskopijom raznih njihovih stanja obogaćujemo svoje razumevanje osobina kvarkova.
     Sada je oštrina džej-psija bila shvaćena. Šarm je jedan novi kvantni broj, a zakoni očuvanja jake sile nisu dopuštali c kvarku da se preobrati u neki kvark niže (to jest, manje) mase. Da bi se takvo preobraćenje ipak postiglo, morale su biti pozvane u pomoć slaba sila i elektromagnetna sila, a te dve deluju mnogo sporije - otud dugi život i uzana kriva raspodele mase.
     Otprilike u to vreme pali su i poslednji rovovi iz kojih je pružan otpor ideji kvarka. Jer, zamisao kvarka dovela je do vrlo neobičnih prognoza, koje su se, posle toga, obistinile. Verovatno je čak i Gel-Man pomišljao da kvarkovi možda jesu čestice koje stvarno postoje. Ostaje nam problem vezanosti koja se sastoji u tome što nikad, nigde, ne može da postoji slobodni kvark. Po tome se kvarkovi razlikuju od svih drugih čestica materije. Sa šarmom, naš periodni sistem čestica opet je dospeo u stanje ravnoteže:

     KVARKOVI
     gore u šarm c
     dole d čudni s
     LEPTONI
     elektronov neutrino (nenm     elektron (e) muon (m)

     Vidite, tu su sad četiri kvarka (četiri ukusa kvarka, u stvari) i četiri leptona. Počeli smo da govorimo o dva pokolenja koja su raspoređena okomito, jedno ispod drugog, na ovoj tabeli. Prvo pokolenje bilo bi u-d-nenmm. Njega vidimo samo u žestokoj, ali kratkotrajnoj vrelini sudara u akceleratoru. Čini se da su te čestice egzotične, ali ih ne možemo prenebreći. Pošto smo neustrašivi istraživači, moramo se boriti da sagledamo koju je ulogu priroda namenila njima.
     Nisam posvetio dužnu pažnju teoretičarima koji su predskazivali džej-psi, a onda i dokazali da je on šarmonijum. Ako je SLAC bio opitno srce, Harvard je bio teorijski mozak. Tamo su Glešou i njegov školski drugar Stiv Vajnberg (zajedno su išli u srednju prirodnonaučnu školu u Bronksu) radili uz pomoć gomile mladih genijalaca; pomenuću, od svih njih, samo Helen Kvin (Helen Quinn) koja je bitno doprinela toj euforiji oko šarmonijuma i koja se idealno uklapa u moj zamišljeni tim saradnika kakve bih želeo.

TREĆE POKOLENJE

     Da zastanemo i da se odmaknemo jedan korak od svega dosadašnjeg. Uvek je teže opisivati nedavne događaje, naročito one u koje je umešan i sam opisivač. Nije se još isprečio filter vremena, ne u dovoljnoj meri da čovek objektivno sagleda šta je bilo. Ali pokušaću koliko mogu.
     Došle su, dakle, sedamdesete godine, i mi smo, zahvaljujući ogromnom uveličanju koje se u novim akceleratorima postizalo, ali i zahvaljujući straobalno pametno nameštenim detektorima koji su vrebali na ono što iziđe iz akceleratora, napredovali veoma brzo ka otkrivanju a-toma. Opiti su polazili u svim pravcima, saznavalo se o raznim šarm-predmetima, sile su ispitivane sa još mikroskopskije tačke gledanja, gurali smo se ka granicama energije, rešavali smo probleme koji su u datom trenutku izgledali najbitniji. Onda je neko pritisnuo kočnicu - naime, novac za dalja istraživanja počeo je da presušuje. Rat u Vijetnamu crpio je iz Amerike i finansijsku, ali i duhovnu snagu, nastupila je i naftna, to jest energetska kriza, sve je postalo nekako bolesnije i lošije, pa su zato ljudi počeli da okreću leđa temeljnim naučnim istraživanjima. Ovo je još gore udarilo po našim kolegama u 'maloj' nauci. Fizičari visokih energija donekle su zaštićeni time što svoj trud udružuju, a na vrlo skupim instalacijama rade zajednički.
     Teoretičari, koji rade jeftino (njima daj samo olovku, hrpu hartije i da sednu u neki kutak fakultetskog de luks salona), nastavili su da nižu uspehe, pojačani slapovima novih podataka. Videli smo na sceni i dalje iste profesionalce, bili su to Li, Jang, Fajnmen, Gel-Man, Glešou, Vajnberg i Bjorken. Brzo su zablistala i neka nova imena: Martinus Veltman (Martinus Veltman), Žerar t'Huft (Gerard 't Hooft), Abdus Salam (Abdus Salam), Džefri Goldstoun (Jeffrey Goldstone), Piter Higs (Peter Higgs) i drugi.
     Hajde da samo u protrčavanju dodirnemo neke najistaknutije opite iz ovog razdoblja. Učinićemo nepravdu, jer ćemo prednost dati 'odvažnim jurišima u nepoznato', a zanemerivati 'sporo, temeljito pomeranje granice napred'. Godine 1975. Martin Perl je, radeći maltene sam samcit i mačujući se kao d'Artanjan sa svojim sopstvenim kolegama i saradnicima, uspeo da ubedi prvo njih, a zatim i svakog na svetu da se u SLAC-ovim podacima krije i peti lepton. Nazvan je tau (t) i postoji sa dva različita znaka za naelektrisanje, baš kao i njegovi lakši rođaci elektron i muon: t+ i t-.
     Počelo je, dakle, stvaranje trećeg pokolenja. Pošto su sa elektronom i muonom povezani odgovarajući neutrini, svako je došao na prirodnu pomisao da mora postojati i tau neutrino (nt     Za to vreme Ledermenova grupica u Fermilabu konačno je shvatila kako treba ispravno izvesti dimuonski opit. Napravila je novu, ogromno poboljšanu organizaciju svojih aparata, tako da se odjednom pojavilo slobodno, otvoreno polje za pregled svih čestica koje bi mogle postojati u rasponu od džej-psi vrha (3,1 GeV), pa sve do nadomak 25 GeV, što im je bio maksimum koji se može postići sa Fermilabovom energijom od 400 GeV. (Imajte u vidu - ovde govorimo o nepokretnim metama, što znači da samo jedan deo energije ulazećih čestica biva iskorišćen delotvorno.) I gle, pokazaše se tri nove grbine, tri čvoruge takoreći, na 9,4 GeV, na 10.0 GeV, pa i na 10,4 GeV. Bile su upadljive kao Tetoni po blistavo sunčanom danu gledani iz skijaškog odmarališta Grend Targi. Ogromna masa podataka počela je da pristiže, a kao ishod toga, svetska zbirka dimuona uvećana je sto puta. Krstili smo tu novu česticu 'ipsilon', misleći da je to poslednje još neiskorišćeno grčko slovo. Ova nova čestica ponovila je priču o džej-psiju, a nova stvar koja je čuvana (to jest, novi predmet na koji se odnosi pravilo očuvanja) bio je kvark zvani 'lepota' - ili, kako ga zovu neki fizičari manje skloni umetnosti, 'kvark dno'; skraćenica je u svakom slučaju slovo b. Prihvaćeno je tumačenje da je čestica ipsilon takođe jedan 'atom' sagrađen od dva kvarka, i to od jednog b i jednog anti-b koji su međusobno spregnuti. Ona dva stanja sa nešto višom masom bila su naprosto pobuđena stanja takvog 'atoma'. Uzbuđenje oko otkrića ipsilona nije bilo ni izdaleka tako veliko kao ono zbog džej-psija. Ipak, pojava trećeg pokolenja bila je itekakva vest. Navela je ljude da se zapitaju: koliko još toga ima? I zašto priroda tako uporno pravi 'fotokopije', zašto bi svako sledeće pokolenje bilo udvajanje prethodnog?
     Samo ukratko da vam opišem peripetije koje smo imali dok smo stigli do čestice ipsilon. U našoj grupi fizičara sa Kolumbije, Fermilaba i Stouni Bruka (Long Ajlenda) bilo je nekoliko mladih supermajstora vršenja opita. Načinili smo vrhunski kvalitetan (na svetu nije bilo boljeg) spektrometar, sa žičanim komorama, magnetima, scintilacionim hodoskopima, i sa još komora i još magneta. Naš sistem prikupljanja podataka bio je, kao što bi rekli Francuzi, "dernier cri", zasnovan na elektronici koju je načinio genijalni inženjer Vilijem Sipah. Svi smo mi radili u istom području Fermilabovih zraka. Poznavali smo probleme. Poznavali smo jedni druge.
     Među najboljim mladim doktorima koje sam ikada upoznao bili su Džon Jou (John Yoh), Stiv Herb (Steve Herb), Volter Ins (Walter Innes) i Čarls Braun (Charles Brown). Značajan softver bližio se onom stupnju usavršenosti koji je bio potreban za rad na krajnjoj dosegnutoj granici znanja. Naš problem bilo je to što smo morali da budemo osetljivi samo na one prave reakcije, nama potrebne, pa makar nailazila samo po jedna takva u svakih sto hiljada milijardi sudara. Pošto nam je bilo potrebno da zabeležimo što više tih retkih dimuonskih događaja, morali smo da spremimo aparate koji neće reagovati na nebrojena mnoštva čestica bez značaja za ovaj posao. Naš tim je tada razvio jedinstveno razumevanje kako treba raditi u okruženju visokog zračenja, a ipak imati detektore koji ostaju 'živi'. Naučili smo kako da se obezbeđujemo i višestruko, po nekoliko puta, od iste opasnosti, tako da nas priroda nije mogla prevariti ni svojim najlukavijim trikovima.
     Rano u ovom poslu, dok je naš proces učenja bio tek u povoju, uzimali smo podatke u dielektronskom modusu i opazili nekih 25 elektronskih parova iznad 6 GeV. Začudo, čak 12 njih bilo je grupisano oko 6 GeV. Grbina? O ovome smo raspravljali i odlučili da saopštimo javnosti da možda postoji neka čestica na 6 GeV. Šest meseci kasnije, kad smo imali već nekih tri stotine snimljenih događaja, puffff... grba je iščezla, rasplinula se, nije je bilo. A bili smo predložili za nju upravo naziv 'ipsilon'. Kad su bolji podaci uništili tu našu zabludu, ostala je priča da ta naša vajna 'čestica', koja nam se samo prividela, nije nikako bila ipsilon nego Uuuups! Lion!
     Onda je došla potpuno nova postavka opita. Uložili smo sve svoje iskustvo u bolje nameštanje mete, oklopa, magneta i komora. Podatke smo počeli da uzimamo u maju 1977. Prošla je era u kojoj smo morali da radimo mesec dana da bismo prikupili dvadeset sedam događaja ili trista događaja; sad smo ih snimali na hiljade svake nedelje, a pozadinske smetnje bile su svedene praktično na nulu. Retko se u fizici događa da tako, pomoću samo jednog novog instrumenta, nauka prodre u sasvim novo područje. Istorijski primeri takvih uspeha, naravno mnogo krupniji, bili su otkriće teleskopa i otkriće mikroskopa; ali uzbuđenje i radost kada su ta dva instrumenta smišljena i prvi put upotrebljena nije moglo biti mnogo veće od ovog našeg. Posle samo nedelju dana pojavila se široka grbina blizu 9,5 GeV; to proširenje uskoro je postalo statistički postojano. Zapravo, Džon Jou je još u onih prvih trista događaja video tu džombu, ali pošto smo se onako ispalili sa 6 GeV, on je samo napisao na jednoj boci Mamovog šampanjca '9,5' i sakrio je u naš frižider.
     U junu smo popili taj šampanjac, sve sami muškarci pošto nažalost nismo imali nijednu saradnicu, i saopštili vest (koja je procurela i pre toga - doznalo se...) celoj našoj laboratoriji. Stiv Herb je održao taj govor, pred prepunom salom uzbuđene publike. Bilo je to prvo krupno otkriće ikada postignuto u Fermilabu. Kasnije tog meseca napisali smo i članak o otkriću širokog ispupčenja na devet i po GeV, sa 770 događaja opaženih baš u tom području - a to je statistički dovoljno bezbedno. Pre toga smo proveli nebrojeno mnogo sati tragajući za ma kakvim kvarom ili greškom, za ma čim što bi moglo da simulira grbu tamo gde je nema. Možda postoje neke mrtve zone u detektoru? Možda je kiks u softveru? Neumoljivom surovošću ganjali smo svaku, ma i najmanju sumnju do njenog potpunog uništenja; desetine takvih. Naše ugrađene mere bezbednosti - proveravanje valjanosti podataka na taj način što postavljaš pitanja za koja unapred znaš kakav odgovor bi trebalo da se pokaže kad se stvar isproba u praksi - dale su sasvim povoljne rezultate. U avgustu, zahvaljujući dodatnim podacima i još istančanijoj analizi, uspeli smo da sagledamo tri uzana vrhunca, celu porodicu ipsilon (ovog puta je to bio pravi ipsilon, a ne lažnjak): ipsilon, ipsilon prim i ipsilon dubl prim. Ni na koji način se ti podaci nisu mogli objasniti fizikom poznatom 1977. Na scenu je stupio kvark lepota (ili dno)!
     Malo ili nimalo otpora pruženo je našem zaključku da smo videli stanje u kome je jedan novi kvark - nazivajte ga kvark b - vezan sa svojim parnjakom u 'anti' statusu. Džej-psi je bio cc mezon. Ipsilon je bb mezon. Pošto je masa ipsilonske izbočine blizu 10 GeV, masa b kvarka mora biti blizu 5 GeV. Bio je to najteži kvark zabeležen dotad; c kvark je samo na približno 1,5 GeV. Takvi 'atomi' kao što su cc i bb stanje i razne pobuđene varijante. Naša tri vrhunca predstavljala su ono najniže, osnovno, nepobuđeno, i dva pobuđena stanja.
     Jedna od zabavnih stvari kod ipsilona bila je ta što smo i mi eksperimentalci mogli da ovladamo jednačinama ovog čudnovatog atoma, koji je sagrađen od jednog teškog kvarka što kruži oko jednog teškog antikvarka. Dobra stara Šredingerova jednačina radila je bez greške. Malo smo bacili pogled u naše studentske sveske, pa smo pojurili da pre teoretičara izračunamo energetske nivoe i druge odlike koje smo već izmerili. Baš smo se zabavljali... ali, teoretičari su pobedili.
     Otkrića su uvek kvaziseksualni doživljaji. Kad je Džon Jou po 'bicikl-sistemu' stigao do prvog nagoveštaja da bi tu negde mogla biti ta grba, obuzelo me je ono (meni sada već dobro znano) osećanje silovite euforije, ali prožeto brigom da 'ne može biti da je stvarno tako'. Prvi poriv je da javiš nekome, da kažeš ljudima. Ali kome? Našim ženama, najboljim prijateljima, deci, u ovom slučaju direktoru Fermilaba, Bobu Vilsonu, čijoj laboratoriji je bilo očajnički potrebno bar jedno otkriće nečega. Telefonirali smo našim kolegama koje su bile uz mašinu DORIS u Nemačkoj i zamolili ih da vide mogu li nekako da dostignu, na njihovom e+ e- kolajderu, energiju potrebnu za pravljenje ipsilona. DORIS je bila jedini drugi akcelerator na celom svetu koji je imao iole neku priliku da domaši tu energiju. Oni su tamo navalili na posao, izveli prava čuda mašinske veštine - i uspeli. Nova radost! (I olakšanje, ne malo.) Kasnije čovek počne da razmišlja o nagradama. Da li će ovo biti dovoljno?
     Posao na postizanju ovog otkrića bio je traumatičan zbog požara koji nas je zaustavio posle prve nedelje dobrog rada. Maja 1977. jedna sprava koja meri struju u našim magnetima, sprava koju je, nema sumnje, isporučio neki jeftin proizvođač, zapalila se. Vatra se prenela na električne vodove. Požar u električnim instalacijama stvara hlorne gasove, a kada vaši prijatelji vatrogasci ulete sa šmrkovima i sve ispolivaju vodom, stvara se, u vazduhu, hlorovodonična kiselina, HCl, koja se spusti na sve tranzistorske kartice. I - počne polako da ih izgriza.
     Spasavanje elektronike u takvim slučajevima je jedan oblik umetnosti. Prijatelji u CERN-u su mi ranije pričali o jednom takvom požaru kod njih, pa sam ih pozvao i pitao za savet. Dadoše mi ime i telefonski broj jednog holandskog majstora za to. On je radio za neku nemačku firmu, a živeo u središnjoj Španiji. Požar je bio u subotu. Sada je bilo 3 sata ujutro, nedelja. Iz moje sobe u Fermilabu zvao sam Španiju i dobio vezu sa tim čovekom. Da; doći će. U utorak će se stvoriti u Čikagu, a tovarni avion sa potrebnim materijalom stići će u sredu. Ali bez američke vize nema ulaska u ovu državu, a na vizu se obično čeka desetak dana. Pozovem američku ambasadu u Madridu i počnem da ih ložim: "Atomska energija, nacionalna bezbednost, milioni dolara su u pitanju..." Spoje me sa jednim ambasadorovim pomoćnikom. Tip sluša, nimalo impresioniran, sve do trenutka kad kažem da sam profesor na Kolumbiji. "Na Kolumbiji!" poviče on. "Što ne rekoste odmah! Ja tamo diplomir'o pedes' šeste! Recite Vašem drugaru da me pozove."
     U utorak je stigao gospodin Jese (Jesse). Prvo je omirisao devet stotina kartica; na svakoj smo imali po 50 tranzistora (bila je to tehnologija iz 1975!). Šnjuf, šnjuf... U sredu su stigle hemikalije. Ali carina. Nove brige i nerviranja, ali Ministarstvo energije je pomoglo. U četvrtak smo imali uspostavljenu 'montažnu liniju': fizičari, sekretarice, supruge, naše devojke - sve te osobe su imale dužnost da zamoče karticu u tajni rastvor A, zatim u B, zatim da osuše čistim gasovitim azotom, pa da iščetkaju četkama od kamilje dlake i najzad da slažu na gomilu. Napola sam očekivao da ćemo uz ovaj obred morati i da tiho ječimo neke holandske magijske inkantacije, ali ipak nije došlo baš do toga.
     Jese je konjanik. Čovek se nastanio u Španiji da bi mogao da trenira sa španskom konjicom. Kad je doznao da imam tri konja, odjurio je da jaše sa mojom ženom i Fermilabovim konjičkim klubom. Pošto je pravi stručnjak, davao je pouke svima. Uskoro su se prerijski jahači savetovali između sebe kako najbolje izvesti leteće promene, pasaže, lavade, korbete i kapriole. Sada imamo uvežbanu fermilabovsku konjicu spremnu da brani laboratoriju ako neprijateljski konjički odredi iz SLAC-a i iz CERN-a krenu na nas.
     Petak smo proveli instalirajući sve te kartice i proveravajući ih sve pomno, jednu po jednu. Subota, jutro: sve u punom pogonu, laboratorija radi. Nekoliko dana kasnije jedna hitra analiza pokazala je da se grbina još vidi. Jese je ostao još dve nedelje, jašući konje, šarmirajući narod i deleći savete o sprečavanju požara. Nikad od njega nismo dobili račun za obavljeni posao, ali hemikalije smo platili. I tako je, eto, svet dobio treće pokolenje kvarkova i leptona.
     Ako je neki kvark na dnu, to bi trebalo da znači i da je neki na vrhu. To bi se na engleskom reklo top quark. (Ili, ako je taj na dnu 'lepota', a on je to ako vam se tako više sviđa, onda kažite da je onaj na vrhu 'istina'.) Nova periodna tablica sad izgleda ovako:

     prvo pokolenje drugo pokolenje treće pokolenje
     KVARKOVI
     gore (u) šarm (c) vrh (?) (t)
     dole (d) čudni (s) dno (b)
     LEPTONI
     elektronski neutrino (nenmnt     elektron (e) muon (m ) tau (t)

     Dok ispisujem ove redove, situacija je sledeća: kvark vrh još nije nađen. Tau neutrino takođe još nijednom nije opitno 'zakucan', ali niko stvarno ne sumnja u njegovo postojanje. Razni predlozi za opite sa tri neutrina, koji bi bili ojačane verzije onog sa dva neutrina, podnošeni su tokom godina u Fermilabu, ali svi su odbačeni zato što bi takav projekat stravično koštao.
     Primetite da je grupa u donjem levom uglu naše tablice (nenmm) uspostavljena dvoneutrinskim opitom 1962. godine. A kvark dno i tau lepton su (zamalo) upotpunili ovaj model, pred kraj sedamdesetih godina.
     Ova tablica, kad joj se dodaju i razne sile, jeste rezime svih podataka koji su prikupljeni u svim akceleratorima počev od onog dana kad je Galilej puštao kugle nejednako teške da padaju sa maltene okomitog tornja u Pizi. Za ovu tablicu kažemo da je standardni model, ili standardna slika, ili standardna teorija. (Ovo upamtiti.)
     Godina je 1993. Standardni model i dalje vlada, on je dogma fizike čestica. Mašine koje su u pogonu sada, u devedesetim godinama, ponajpre Fermilabov Tevatron i CERN-ov kolajder elektrona sa pozitronima (nazvan LEP - Large Electron-Positron Storage Ring), usmeravaju napore hiljada eksperimentatora prema svakom mogućem nagoveštaju o nečemu što bi moglo da leži izvan standardnog modela. Manje mašine u Kornelu, Brukhejvenu, zatim DESI, SLAC i KEK (u Cukubi, u Japanu) takođe pokušavaju da istančaju naše znanje o mnogim parametrima standardnog modela i da nađu naznake o nekoj dubljoj stvarnosti.
     Ima posla; ima mnogo posla. Jedan zadatak je: istraživati kvarkove. Pamtite da u prirodi postoje samo dve vrste kombinacija: (1) kvark plus antikvark (piše se qq) - to su vam mezoni - i (2) tri kvarka zajedno (qqq) - to su vam barioni. Sad možemo da se igramo i da komponujemo hadrone kao što su uu, uc, ut i uc, ut, ds, db... Zabavljajte se! Takođe uud, ccd, ttb... Moguće su stotine kombinacija (neko negde i zna koliko). Sve su to čestice koje su ili otkrivene i stavljene u tablice ili čekaju da ih neko otkrije. Mereći masu raznih čestica, njihov životni vek i načine raspadanja, saznajemo sve više o jakoj kvarkovskoj sili za koju su posrednici prenosa gluoni, ali i o osobinama slabe sile. Ima mnogo da se radi.
     Još jedno slavno eksperimantalno otkriće zove se 'neutralne struje'. Ono je od bitnog značaja za našu priču o Božijoj čestici.

SLABOJ SILI PONOVO U POHODE

     Tokom sedamdesetih godina prikupljeno je mnoštvo podataka o raspadanju nestabilnih hadrona. Ovo raspadanje je, zapravo, ispoljavanje pojedinih reakcija koje se događaju sastavnim kvarkovima - na primer, neki kvark gore se 'premetne' u dole, ili obratno. Još informativniji bili su rezultati više decenija vršenja opita sa rasipanjem neutrina. Svi ti podaci zajedno govorili su da slabu silu moraju prenositi tri masivne čestice-prenosioci: jedna bi bila W+, druga W-, a treća bi se zvala Z0. Morale su biti masivne zato što slaba sila ima veoma mali poluprečnik dejstva, ne dohvata dalje nego do, približno, 10-19 metara. Kvantna teorija nameće grubo pravilo koje kaže da se domašaj sile menja obrnuto srazmerno masi čestice-prenosioca. Elektromagnetna sila doseže u beskonačnost (iako postaje, sa povećanjem udaljenja, sve slabija), a njena čestica-prenosilac jeste foton čija je masa mirovanja jednaka nuli.
     Ali zašto tri prenosioca sile? Zašto tri čestice-glasnika - od kojih je jedna pozitivno naelektrisana, jedna negativno, a jedna neutralna - da bi se širilo kroz prostor polje koje navodi kvarkove da prelaze iz jedne vrste u drugu? Da bismo ovo objasnili, moramo malo biti računovođe i knjigovođe fizike, i pri tome moramo paziti da ono levo od strelice ostane uvek jednako onome desno od strelice. To se odnosi i na znake naelektrisanja. Ako se, na primer, neutralna čestica raspadne na neke naelektrisane, onda među tim tako nastalim česticama ukupna količina pozitivnog mora biti jednaka ukupnoj količini negativnog naelektrisanja.
     Za početak, evo šta se dešava kad se jedan neutron 'raskoka' na jedan proton i još nešto. To je tipičan proces za koji je 'odgovorna' slaba sila. Pišemo ga ovako:

     n - p+ + e- + ne

     Već smo jednom ovo videli: jedan neutron raspadne se na jedan proton, jedan elektron i jedan antineutrino. Primećujete da na desnoj strani reakcije imamo pozitivni proton i negativni elektron koji se uzajamno poništavaju; a antineutrino je neutralan, nenaelektrisan. Sve se lepo uklopilo. Ali ovo je samo površan pogled na tu reakciju, kao kad gledate kako se jaje raspada i iz njega se pojavljuje ptičica. Niste uopšte videli šta je sve fetus radio unutra. Neutron je, zapravo, konglomerat tri kvarka - jednog gore i dva dole (udd); a proton je konglomerat dva gore i jednog dole (uud). Znači, kad se neutron raspadne i proizvede jedan proton, tom prilikom se jedan kvark dole preobrati u kvark gore. Zato je uputnije da pogledamo u neutron i opišemo šta se dešava sa tim kvarkovima. E, sad, ista ova reakcija može da se napiše kvarkovskim jezikom ovako:

     d - u + e- + ne

     Dakle, jedan kvark dole u neutronu pretvori se u jedan kvark gore, a pri tome emituje jedan elektron i jedan antineutrino. Međutim, čak i ovo je preveliko pojednostavljenje onoga što se stvarno dogodilo. Prava verzija događaja mora uzeti u obzir činjenicu da elektron i antineutrino ne iskaču neposredno iz kvarka dole. Postoji tu jedna međureakcija u kojoj jedna W- čestica odigrava bitnu ulogu. Zato kvantna teorija slabe sile piše proces raspada neutrona kao događaj koji ima dve faze:

     1) d-1/3 - W- + u+2/3

     a tek posle toga

     2) W- - e- + ne

     Opazite da se kvark dole raspada prvo u česticu W- i u jedan kvark gore. Tek posle toga se ta W čestica raspada u elektron i antineutrino. Dakle, W je posrednik slabe sile i učesnik u reakciji raspada. U gornjoj reakciji to mora biti negativna W čestica, da bi se uravnotežila promena naelektrisanja koja se dogodila pretvaranjem d u u. Kad sabereš -1 naelektrisanje pomenute čestice W- i +2/3 naelektrisanje kvarka gore, dobiješ -1/3, a to je naelektrisanje kvarka dole koji je reakciju i pokrenuo. Sve se lepo uklapa.
     U jezgrima, kvarkovi gore se takođe mogu raspasti u kvarkove dole, pri čemu se protoni pretvaraju u neutrone. Na jeziku kvarkova ovaj proces se opisuje ovako: u - W+ + d, a posle toga nastupa W+ - e+ + ne. Ovde nam je potreban pozitivan W da bi se uravnotežile promene električnih naboja. Dakle, opaženi raspadi kvarkova, u preobraćanjima neutrona u protone i obratno, zahtevaju postojanje i pozitivnog, ali i negativnog W. Ali ni to nije cela priča.
     Opiti izvedeni sredinom sedamdesetih godina sa neutrinskim snopovima dokazali su postojanje 'neutralnih struja' koje, opet, zahtevaju da postoji i jedan neutralni prenosilac sile. Na ovakve opite navodili su nas teoretičari kao što je Glešou, koji su radili na objedinjenju sila i nervirali se zbog činjenice da su slabe sile, po svim dotadašnjim dokazima, zahtevale samo naelektrisane prenosioce sile. Zato se digla potera za strujama koje bi bile neutralne.
     Reč 'struja' u suštini znači bilo šta što struji, protiče. U reci ili u česmi imate vodenu struju. Struja elektrona protiče kroz žicu ili kroz neki rastvor. Čestice W- i W+ posreduju u 'proticanju' čestica iz jednog stanja u drugo; potreba da se prati kuda odlazi naelektrisanje i šta se dešava s njim verovatno je navela ljude da počnu govoriti da i tu postoji neka 'struja'. Čestica W+ posreduje u proticanju pozitivne struje; W- u proticanju negativne. Ove struje proučavamo u spontanim slabim raspadima, kao što su ovi upravo opisani. Ali one mogu biti stvorene i neutrinskim sudarima u akceleratorima, što je moguće postići zato što su eksperimentatori u Brukhejvenu, u dvoneutrinskom opitu, ovladali proizvodnjom neutrinskih snopova.
     Da pogledamo šta se dešava kad se muonski neutrino, ona vrsta koju smo otkrili u Brukhejvenu, sudari sa protonom - tačnije, sa nekim kvarkom jednoga protona. Sudar muonskog antineutrina sa kvarkom gore dovešće do nastanka jednog kvarka dole i jednog pozitivnog muona.

     nm + u-2/3- d-1/3 + m+

     Ili, na svakodnevnom jeziku, muonski antineutrino plus kvark gore daje kvark dole plus pozitivni muon. To mu iziđe na sledeće: kad se neutrino i kvark gore čvaknu, gore postane dole, a neutrino postane muon. Ali opet, ono što se po teoriji slabe sile zaista dešava jeste jedan sled od dve reakcije:

     (1)nm- W- + m+
     (2) W- + u - d

     Antineutrino naleti na kvark gore i iz tog 'karambola' izleti kao muon. Gore se pretvara u dole, a posrednik u tom poslu jeste negativna W čestica. Znači, tu je proticala jedna negativna struja. E, da, ali još 1955. godine pojedini teoretičari (na primer Džulijan Švinger, koji je bio profesor Šeldonu Glešou) sagledali su da bi bilo moguće imati i neutralnu struju, ovako:

     nm+ u - u + nm
     Pa, tu imamo iste stvari na obe strane; levo jedan muonski neutrino i kvark gore, a desno opet kvark gore i opet muonski neutrino. Pa, šta li se tu dešava? Dešava se to da neutrino udari u kvark gore i odskoči, ali izlazi iz te reakcije opet kao neutrino, a ne kao muon, što smo imali u prethodnoj reakciji. Kvark gore bude ćušnut, ali ostaje gore. Pošto je taj kvark gore deo jednog protona (ili neutrona), pomenuti proton, iako žestoko tresnut, ostaje proton. Ako bismo bacili pogled na tu reakciju samo ovlaš, površno, zaključili bismo da je jedan muonski neutrino udario u proton i naprosto, neizmenjen, odskočio. Ali događaj je kudikamo istančaniji od toga. U ranijim reakcijama videli smo da je bila potrebna ili negativna ili pozitivna W čestica da bi se pomoglo preobražavanje jednog kvarka gore u dole ili obratno; dok, međutim, ovde neutrino mora da emituje neku česticu-glasnika koja će da 'ritne' taj kvark gore. (Ujedno će neutrina 'progutati' vlastita čestica-glasnik.) Kad pokušamo da napišemo ovu reakciju, jasno vidimo da ta čestica-glasnik mora biti neutralna.
     Ova reakcija je slična načinu na koji shvatamo električnu silu - na primer, između dva protona; događa se razmena jednog neutralnog prenosioca, koji je foton, a to dovodi do nastanka Kulonovog zakona o sili, koji dopušta jednom protonu da 'šutne' neki drugi proton. Ne događa se prelazak iz jedne vrste u drugu. Ova sličnost nije slučajna. Ovi što se bave unifikacijom (ne mislim na crkvu/sektu 'Velečasnog Muna' nego na Šeldona Glešoua i njegove drugare) moraju imati na raspolaganju jedan takav proces, ako žele da steknu makar i najminimalniju priliku da ikada objedine slabu silu sa elektromagnetnom.
     Dakle, izazov za eksperimentatore bio je: možemo li izvesti neke reakcije u kojima se neutrini sudaraju sa atomskim jezgrima i izlaze opet kao neutrini? Presudni element u ovome morao bi biti taj da opazimo da se sudar dogodio. To znači da se po nečemu mora videti da je jezgro pretrpelo udarac. Postojali su neki dvosmisleni nagoveštaji takvih reakcija još u onom našem dvoneutrinskom opitu u Brukhejvenu. Mel Švarc je za takve slučajeve govorio da su 'ništarije': neutralna čestica uđe, neutralna čestica iziđe, i šta je tu bilo? Ništa. Nije se promenilo naelektrisanje. Doduše, jezgro bude razbijeno; ta sitnica se ipak desi. Ali naš neutrinski zrak u Brukhejvenu imao je srazmerno nisku energiju, otud Švarcova ljutnja da nam je to 'ništa'. Neutralne struje? Iz razloga kojih se ne mogu prisetiti, neko je negde odlučio da se neutralna čestica-prenosilac ima zvati Z0 (ze nula), a ne W0. Ali kad hoćete da ostavite jak utisak na svoje prijatelje, upotrebljavajte izraz 'neutralne struje', što tako dobro zvuči, a, zapravo, izražava zamisao da moramo imati neku nenaelektrisanu česticu-prenosioca koja će da 'šutne' i pokrene reakciju slabe sile.

VREME DA SE DIŠE BRŽE

     Da malo pregledamo šta su teoretičari u to vreme mislili.
     Postojanje slabe sile prvi je primetio Fermi u tridesetim godinama. Kad je pisao svoju teoriju, Fermi ju je modelovao jednim delom prema kvantnoj teoriji polja za elektromagnetnu silu, koja je nazvana i kvantna elektrodinamika - QED. Fermi je pokušao da vidi da li bi ova nova sila, slaba, dejstvovala po dinamici starije sile, elektromagnetizma (starije u smislu da smo ranije saznali za nju). U QED-u, kao što ste zapamtili, polje nose čestice-glasnici, a to su fotoni. Zato je morala i Fermijeva teorija da ima neke čestice-glasnike. Ali kakve bi to čestice bile?
     Foton ima masu nula, a to omogućava da se uzdigne na noge onaj slavni dalekodometni zakon obrnutih kvadrata rastojanja električne sile. Slaba sila imala je vrlo kratak domet, pa je Fermi, u suštini, naprosto prikačio svojim prenosiocima sile odliku da imaju beskonačno veliku masu. Logično, zar ne. Kasnije verzije Fermijeve teorije, a naročito Švingerova, uvode teške čestice W+ i W- kao prenosioce slabe sile. Nekoliko drugih teoretičara postupilo je na taj isti način. Da vidimo: Li, Jang, Gel-Man... Ne volim, nikako ne volim da odajem priznanje ma kom teoretičaru, jer zbog toga odmah počnu da se grizu i ljute 99 posto njih. Ako nekog teoretičara ponekad ne navedem, a očigledno je da sam uzeo zamisao od njega, to nije zato što sam zaboravio tu obavezu nego zato što ga mrzim.
     Sad ovo što radim postaje osetljivo. U klasičnoj muzici postoji lajtmotiv, a to je neki motiv ili tema koji se ponavljaju više puta i uvek uvode neku zamisao, osobu ili životinju. Takav je u muzičkom delu Peđa i vuk onaj lajtmotiv koji nam govori da će Peđa u sledećim trenucima stupiti na pozornicu. Možda je za ovaj naš slučaj bolje upoređenje sa onim zloslutnim zvucima violončela u filmu Ajkula, zvuk koji najavljuje pojavu velike bele ajkule. Ja ću sad odsvirati prve tematske note raspleta ove knjige, daću prve znake o Božijoj čestici. Ali neću je pokazati celu odmah. Kao i u svakoj 'tiz' (izazovnoj) predstavi (kao što je striptiz), bolje je polako.
     U poznim šezdesetim i ranim sedamdesetim godinama, nekolicina mladih teoretičara bacila se na proučavanje kvantne teorije polja, u nadi da proširi uspeh QED-a i na druge sile. Možda ste zapamtili da su u tom poslu postojala elegantna rešenja za delovanje na daljinu, ali da su iskrsle i matematičke nevolje: neke veličine koje bi trebalo da budu male i merive, u jednačinama su iskrsavale kao beskonačne. A beskonačno je, znate, baš mnogo. Fajnmen i njegovi prijatelji izmislili su postupak renormalizacije da bi kako-tako prikrili te beskonačnosti pomoću onih količina koje jesu izmerene - na primer, pomoću e i m, naelektrisanja i mase elektrona. Govorilo se da je QED renormalizabilna teorija. To znači, takva u kojoj se možeš otarasiti tih glupih beskonačnosti. Međutim, čim je kvantna teorija polja primenjena na tri druge sile - na slabu, jaku i na silu teže - nastupio je potpuni neuspeh. Tragedija, da se tako dobrim ljudima desi nešto tako. Kod te tri sile, beskonačnosti su podivljale i pobesnele toliko da je dovedena u pitanje korisnost sveukupne kvantne teorije. Neki teoretičari su onda zapeli da preispitaju QED ne bi li našli objašnjenje zbog čega (kod elektromagnetizma) ta teorija uspeva, dok druge teorije ne uspevaju.
     Pomenuta teorija kvantne elektrodinamike (QED), ta supertačna teorija koja daje vrednost g tačno do jedanaestog decimalnog mesta, pripada klasi teorija za koje se kaže da su baždarske ('gejdž'). Taj termin 'baždarske' znači, u ovom okviru, razmere veličina, kao kad neko napravi za dečju železnicu šine takođe minijaturne, ali u tačnom obliku i razmeri. Baždarska teorija iskazuje apstraktnu simetriju u prirodi, simetriju koja je vrlo blisko povezana sa opitnim činjenicama. Od ključnog značaja je članak Janga (C. N. Yang) i Roberta Milsa (Robert Mills) iz 1954. godine u kome je naglašena moć baždarske simetrije. Umesto da se predlažu sve nove čestice kojima bismo objašnjavali opažene pojave, govorilo se u tom članku, trebalo bi da tragamo za simetrijama koje će predskazati te pojave. Primenjena na QED, baždarska simetrija je bukvalno pravila elektromagnetnu silu, jemčila održanje naelektrisanja i još jemčila (bez doplate... stvarno jeftino) zaštitu od nekih - naime, od onih najgorih - beskonačnosti. Teorije koje se odlikuju baždarskom simetrijom jesu renormalizabilne. (Uvežbavati ovu rečenicu sve dok se ne postigne gladak i brz izgovor. Posle time oduševljavati društvo za vreme ručka.) Ali baždarske teorije podrazumevaju postojanje baždarskih čestica. Koje bi to mogle biti? Za QED, to su fotoni-glasnici; koje bi druge? Za slabu silu to su W+ i W-. A za jaku silu? Pa, gluoni, dabome.
     Neki od najboljih i najpametnijih teoretičara radili su na slaboj sili. Za ovo su imali dva, ne, tri razloga. Razlog broj jedan jeste taj što je u slaboj sili sve vrvelo od tih beskonačnosti; nije bilo jasno kako je prevesti u dohvat neke baždarske teorije. Drugi razlog: želja za unifikacijom, dakle objedinjenjem svih sila; Ajnštajn je toliko veličao i hvalio to usmerenje, a i ova grupa mladih teoretičara imala je to na umu. Naročito su se usredsredili na objedinjavanje slabe sa elektromagnetnom silom, a to je bio zastrašujući zadatak zato što je slaba sila ogromno slabija od električne, ima mnogo, mnogo kraći doseg i krši neke simetrije - na primer, parnost. A u svemu drugom te dve sile su savršeno jednake!
     Treći razlog bio je taj što se znalo da velika slava i bogatstvo čekaju tipa koji reši tu zagonetku. Vodeći učesnici u trci bili su Stiven Vajnberg, koji je tada bio na Prinstonu; Šeldon Glešou, koji je sa Vajnbergom išao u istu naučnu sekciju u školi; Abdus Salam, pakistanski genije zaposlen u Imperijalnom koledžu u Engleskoj; Martinus Veldman u gradu Utrehtu u Holandiji; i Veldmanov student Žerar t'Huft. Neki matori teoretičari (preko trideset godina starosti) pripremili su pozornicu: Švinger, Gel-Man, Fajnmen. Okolo su se motali još neki; a bitne deonice na pikolo frulicama svirali su Džefri Goldston i Piter Higs.
     Preskočićemo sve pojedinosti o teorijskim nadvikivanjima koja su trajala jedno petnaest godina, približno od 1960. do 1975, i preći ćemo pravo na ishod: renormalizabilna teorija slabe sile konačno je postignuta. U isto vreme nađeno je da brak slabe sa elektromagnetnom silom, to jest veza sa QED teorijom, sada izgleda kao prirodnija mogućnost nego ranije. Ali da bi se postiglo sve to, morala se sastaviti jedna zajednička porodica čestica-glasnika koje će prenositi (pazite) 'elektroslabu' silu. Tu objedinjenu porodicu čine W+, W-, Z0 i foton. (Ali izgledaju kao ona mešovita porodica u kojoj polubraća i polusestre iz raznih ranijih brakova pokušavaju da žive u istom stanu, iako se niko ni sa kim ne slaže, a svi moraju da koriste isto kupatilo.) Nova teška čestica, Z0, pomogla je da se zadovolje zahtevi baždarske teorije. Ta četvoročlana grupica zadovoljila je i sve zahteve koji proističu iz kršenja parnosti, ali i očiglednu slabost slabe sile. Čestice W i Z su predskazane još pre 1970. godine - dakle, u vreme kad ih još niko nije video niti je iko znao kakve bi reakcije Z0 mogla proizvesti.
     Ali kako možemo govoriti o objedinjenoj elektroslaboj sili, kad svako dete u laboratoriji ume da pokaže ogromne razlike u ponašanju te dve - elektromagnetne i slabe?
     Jedan problem sa kojim su se ovi stručnjaci suočili, svako u svojoj samoći, u nekoj kancelariji ili kod kuće ili na avionskom sedištu, bio je taj što su slaboj sili, zato što je kratkodometna, potrebni teški prenosioci sile. Ali teški glasnici (prenosioci) nisu ono što je baždarska teorija predvidela; osim toga, na pobunu su se digle i one beskonačnosti, zabijajući se kao oštar čelik u intelektualnu utrobu teoretičara. Osim toga, kako je moguće da tri teškaša, W+, W- i Z0, postoje u srećnoj porodici sa fotonom koji masu uopšte i nema?
     Piter Higs sa Mančesterskog univerziteta u Engleskoj dao nam je ključ - još jednu česticu, o kojoj ćemo uskoro više - a taj ključ je uzeo i iskoristio Stiven Vajnberg, koji je tad radio na Harvardu, a sad je u Teksasu. Naravno, mi vodoinstalateri koji tumaramo po laboratorijama nismo videli nikakvu simetriju slabe i elektromagnetne sile. To su teoretičari dobro znali, ali su očajnički želeli da u osnovnim jednačinama ona iskrsne. Zato su nama nabacili zadatak da nađemo neki način da tu simetriju uvedemo, ali i da je prekršimo čim oni stignu da svojim jednačinama predskažu kako će se koji naš opit završiti. Ovaj svet je savršen kad se gleda malo šire, apstraktno, vidite, samo kad se spustimo na nivo nekih tamo sitnica i začkoljica, onda postaje nesavršen, je l' tako? E, polako! Nisam ja smislio da to tako bude.
     Evo kako stvar 'hoda'.
     Vajnberg je, koristeći Higsov rad, otkrio mehanizam pomoću koga jedna grupa čestica-devica, koje nemaju nijedna nikakvu masu, a sve služe kao glasnice i sve zastupaju elektroslabu silu, mogu ipak da se ugoje (ali sad već govorim vrlo poetski) tako što će da žderu i prožderu izvesne neželjene sastojke iste ove Vajnbergove teorije. U redu? Nije u redu? Pa, shvatite - pomoću Higsove zamisli mi uništimo simetriju, i gle čuda! Obe W čestice i Z čestica dobiju masu, foton ostane ista ona devica kao što je i bio, a u pepelu uništene objedinjene teorije pojave se slaba sila i elektromagnetna sila. Masivne W i Z čestice gegaju se oko nas i izazivaju radioaktivne pojave i neke reakcije koje ponekad stanu na put neutrinu u njegovome preletu kroz čitavu Vaseljenu; za to vreme fotoni-glasnici dovode do pojave elektriciteta, a to je jedna pojava koju svi dobro poznajemo, mnogo volimo, a, bogami, i plaćamo. Eto. Radioaktivnost (slaba sila) i svetlost (elektromagnetizam) uredno (?) su povezane jedna sa drugom. Higsova zamisao ipak nije stvarno uništila nego je samo prikrila simetriju.
     Samo jedno pitanjce je ostalo. Zašto bi iko poverovao u sve te matematičke pričancije? Evo zašto. I 'Malecki' Veltman, kako ga zovu (a nije mali, naprotiv), i Žerar t'Huft dali su se na posao da okopaju istu tu baštu, možda malo temeljitije nego ovi pre njih, i uspeli su pokazati da ako izvedemo (još tajanstven) Higsov trik i razbijemo simetrije, nestaju i sve one beskonačnosti koje su toliko ranjavale teoriju, pa teorija izlazi kao nova, sasvim lepa i čista, renormalizovana.
     Matematički gledano, u jednačinama se pojavio niz termina koji su imali takve predznake da su mogli i morali poništiti one druge, one neželjene termine koji su dovodili do beskonačnosti. Ali ne samo nekoliko, nego mnoštvo tih termina! Da bi se sistematično izborio sa svima njima, t'Huft je seo i napisao kompjuterski program, a onda je, jednog julskog dana godine 1971, gledao kako izlaze rezultati. Računar je ispisao neke složene integrale, a onda počeo od njih da oduzima neke druge složene integrale. Svaki od tih integrala, kad bi se razmatrao sam za sebe, odlutao bi do beskonačno velikih rezultata. Ali kad su oduzeti jedan od drugog, pojavio se ukupan rezultat: 0. Tako za prvi termin, tako za drugi, i redom, uvek nula. Sve one beskonačnosti su nestale. To je bila t'Huftova doktorska teza, koja mora, kao i De Broljijeva, da se smatra za jednu od teza koje su izmenile istoriju.

NAĐITE ZE NULA

     Toliko o teoriji. Da je zamršena - jeste. Ali mi ćemo joj se vratiti kasnije, a jedno čvrsto pedagoško saznanje koje sam stekao tokom četrdeset godina nastavničkog rada (sa učenicima u rasponu od brucoša do mladih doktora fizike) glasi: čak i ako pri prvom pokušaju učenja đaci 97 posto gradiva ne uspeju da shvate, u drugom pokušaju gradivo će im biti ipak, nekako, malčice poznato.
     Kakve je posledice imala sva ova teorija po stvarni svet? One veličanstvene implikacije moraće da sačekaju na osmo poglavlje. Neposredna posledica, godine 1970, za eksperimentatore bila je ta da mora postojati čestica Z0 da bi sve moglo da dejstvuje. Ako je Z0 čestica, moramo je naći; tako smo rekli sebi. Naravno, Z0 je električno neutralna, nije ni pozitivna ni negativna; po tome je kao njena polusestra, foton. Ali za razliku od fotona, koji nema masu, Z0 bi morala biti veoma teška, kao njena dva brata, blizanci W. Zadatak je pred nama bio jasan: tragaj za nečim što liči na foton, ali težak.
     U mnogim opitima, pa i nekim mojim, tragalo se za W česticama. Zavirivali smo u sudare neutrina i nismo videli ništa, ali smo taj neuspeh pripisali uverenju da je masa W veća od 2 GeV. Da je W lakši od toga, morao bi 'pokazati nos' već u našem drugom nizu neutrinskih opita u Brukhejvenu. Zavirivali smo u sudare protona. Nema W. Znači, masa im mora biti veća i od 5 GeV. Teoretičari su takođe imali neka mišljenja o odlikama W i pominjali su stalno sve veću masu; kasno u sedamdesetim godinama počeli su nagađati da bi masa W čestice morala biti negde oko 70 GeV. A to je bilo daleko previsoko za mašine onoga doba.
     Nego, da se vratimo čestici Z0. Neutrino udari u jezgro nekog atoma i 'prospe se'. Ako iz sebe izbaci jednu W+ česticu, pretvori se u muon. (Antineutrino će iz sebe da izbaci jednu W- česticu.) Ali ako bi mogao iz sebe izbaciti jednu Z0, ostao bi neutrino. Kao što smo pomenuli, pošto pratimo ove izmene leptona, a nigde u njima ne vidimo promenu naelektrisanja, kažemo da su ovo neutralne struje.
     Pravi opit za otkrivanje neutralnih struja nije lak. Potpis je jedan nevidljivi neutrino koji ulazi, kao i jedan nevidljivi neutrino koji izlazi, zajedno sa pregršt hadrona iz pogođenog nukleona. I šta vidiš na detektoru, samo tu hrpicu hadrona, a to nije osobito impresivno. Jer, isti učinak bio bi i ako je zalutao neki neutron iz pozadine. U CERN-u je jedna divovska mehurna komora nazvana Gargamel počela da radi pod udarom neutrinskog zraka godine 1971. Akcelerator je bio PS, mašina od 30 GeV koja je proizvodila neutrine od oko 1 GeV. Već 1972. godine ova CERN-ova grupa bila je uveliko na tragu događaja bez muona. U isto vreme, nova Fermilabova mašina slala je neutrine od 50 GeV prema masivnom detektoru elektronskih neutrina. Detektorom su upravljali Dejvid Klajn (David Cline) sa Viskonsinskog univerziteta, Alfred Man (Alfred Mann) sa Pensilvanijskog univerziteta i Karlo Rubija (sa Harvarda, CERN-a, iz severne Italije, Alitalije...).
     Ne možemo toj priči posvetiti onoliko prostora koliko ona zaslužuje. Puna je juriša i zahuktalosti, dirljivih ljudskih privatnih okolnosti, kao i sociopolitike nauke. Preskačemo sve to skupa i naprosto kažemo da je grupa sa Gargamela objavila godine 1973, mada ne baš kategorično, da je primetila neutralne struje. I u Fermilabu je ekipa Klajn-Man-Rubija imala neke podatke koji su bili 'ni tamo ni ovamo'. Pozadinski šum koji je ometao posmatranje bio je vrlo jak, a dobijeni signali nisu bili baš neki 'nokauteri'. Ta trojica su zaključila da su možda našla neutralne struje, ali su onda povukla tu izjavu. Onda su povukla povlačenje. Ovo njihovo hoću-neću jedan neozbiljan čovek opisao je kao 'naizmeničnu neutralnu struju'.
     Doguralo se nekako do godine 1974. i do konferencije u Londonu zvane 'Ročester' (održava se svake druge godine: bijenale fizike). Stvar je bila raščišćena: cernovci su imali opažene neutralne struje, fermilabovci uverljive dokaze o svom signalu. Ti dokazi su kazivali da 'nešto nalik na Z0' mora postojati. Ali ako ćemo govoriti strogo po pravilima, to nešto je stvarno otkriveno tek devet godina kasnije. Slava za ovo otišla je CERN-u, godine 1983. Tamo je Z0 opažen neposredno. Masa? Čestica Z0 bila je uistinu teška: 91 GeV.
     Uzgred rečeno, do sredine 1992. godina LEP mašina u CERN-u registrovala je više od dva miliona čestica Z0. Podaci su prikupljani u četiri džinovska detektora. Na proučavanju čestica Z0, njihovog nastajanja i kasnijeg raspadanja, o čemu se tamo pribavlja pravo bogatstvo podataka, zaposleno je sada nekih 1.400 fizičara. Setite se kako je Ernest Raderford otkrio alfa-čestice, objasnio ih i odmah se dao na posao da pomoću njih otkriva jezgro. Mi smo isto učinili sa neutrinima; neutrinski zraci su danas, vidite, industrija pomoću koje pronalazimo čestice-glasnike, proučavamo kvarkove i radimo još neke korisne stvari. Jučerašnja fantazija je današnje otkriće i sutrašnja alatka.