КРОНИН Джеймс Уотсон (р. 1931)

КРОНИН Джеймс Уотсон (р. 1931)
КРОНИН Джеймс Уотсон (р. 1931), американский физик. Труды по ядерной физике и физике элементарных частиц. Открыл нарушение симметрии относительно операции комбинированной инверсии (совместно с В. Л. Фитчем). Нобелевская премия (1980, совместно с Фитчем). * * * КРОНИН (Cronin), Джеймс У. (род. 29 сентября 1931 г.). Нобелевская премия по физике, 1980 г. совместно с Валом Л. Фитчем. Американский физик Джеймс Уотсон Кронин родился в Чикаго (штат Иллинойс), в семье Джеймса Фарли Кронина, в то время студента-старшекурсника отделения классических языков Чикагского университета, и Дороти (Уотсон) Кронин. Родители К. познакомились, посещая класс древнегреческою языка при Северо-Западном университете. После кратковременного пребывания в Алабаме в 1939 г. семья переехала в Даллас (штат Техас), где отец К. стал профессором латинского и древнегреческого языков в Южном методистском университете К. посещал местную начальную и среднюю школу в Хайленд-Парк, а затем продолжил образование в Южном методистском университете, который окончил в 1951 г., получив степень бакалавра по физике и математике. Сам К. считает, что его настоящее образование началось осенью 1951 г., когда он стал аспирантом Чикагского университета. Среди его учителей были Энрико Ферми, Мария Гепперт-Майер, Эдвард Теллер, Вал Телегди, Марвин Голдбергер и Марри Гелл-Манн. Именно Гелл-Манн и пробудил у К. интерес к только зарождавшейся тогда физике элементарных частиц. Ученую степень доктора К. получил в 1955 г., защитив диссертацию по экспериментальной ядерной физике, выполненную под руководством Сэмюела К. Аллисона. Затем К. присоединился к группе Родни Кула и Оресте Пиччони в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Эти исследователи работали на недавно построенном космотроне-ускорителе, способном разгонять протоны до энергии в 3 млрд. электронвольт. В Брукхейвене К. встретил Вала Л. Фитча, который осенью 1958 г. пригласил его перейти на работу в Принстонский университет. Осуществляя независимые исследовательские программы, эти двое ученых в 1963 г. выполнили совместный, ставший классическим эксперимент, который подорвал казавшееся незыблемым представление об одном из законов природы. Одно время физики считали, что в природе действуют три фундаментальных закона симметрии. Согласно первому закону, известному как "симметрия зарядового сопряжения" (C), исход любого физического эксперимента должен оставаться неизменным, если каждую частицу в эксперименте заменить соответствующей античастицей (т. е. частицей-близнецом, но с противоположным электрическим зарядом и некоторыми другими свойствами). Иначе говоря, мир, целиком состоящий из антиматерии, должен был бы подчиняться таким же физическим законам, как и мир, состоящий из материи. Второй закон – "сохранения четности" (P), утверждает, что любая реакция между частицами должна оставаться такой же, если все геометрические величины, например такие, как пространственные координаты, заменить их зеркальными отображениями, т.е. никакая реакция не позволяет отличать правое от левого. Третий закон, "симметрия относительно обращения времени" (T), гласит, что любая реакция между элементарными частицами должна одинаково хорошо протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Например, если две частицы могут сливаться, образуя третью, то последняя может распадаться с образованием двух исходных частиц. В 1956 г. Ли Цзундао и Янг Чжэньнин пришли к выводу о возможном несохранении четности Р в некоторых реакциях, связанных со слабым взаимодействием, которое ответственно за некоторые формы радиоактивного распада, в отличие от сильного взаимодействия, удерживающего частицы внутри атомного ядра. Они предложили эксперименты, которые позволили бы решить этот вопрос. А вскоре By Цзяньсюн и ее сотрудники из Колумбийского университета доказали, что четность не полностью сохраняется при бета-распаде (испускании электрона) некоторых радиоактивных ядер: ядра испускают больше "ориентированных влево" электронов, чем "ориентированных вправо". Другие исследователи установили, что зарядовое сопряжение (C) также сохраняется лишь приближенно. В некоторых физических процессах обнаруживается предпочтение частицам перед античастицами. Физикам удалось спасти некоторое подобие порядка, объединяя C и P в комбинированный закон сохранения CP-симметрии, который подтверждается экспериментальными результатами. Нарушение С компенсируется одновременным нарушением Р, и наоборот. Например, если избыток левоориентированных электронов нарушает сохранение четности, то одновременная замена частиц на античастицы превратила бы левоориентированные электроны в правоориентированные позитроны и оставила бы неизменными физические законы. Именно универсальное сохранение комбинированной СР-симметрии, предложенное для объяснения нарушения в отдельности С- и Р-симметрий, и было опровергнуто К. и Фитчем летом 1963 г. К. и Фитч изучали пучки нейтральных K-мезонов, называемых теперь каонами (частицы с вдвое меньшей массой, чем протон), порождаемых ускорителем в Брукхейвене. Приступая к эксперименту, ученые не ставили перед собой задача опровергнуть CP-симметрию, напротив, они надеялись подтвердить ее. Однако в серии экспериментов, проведенных при участии Рене Турле из Центра ядерных исследований во Франции и Джеймса Кристенсена, аспиранта из Принстона, К. и Фитч обнаружили безусловное подтверждение нарушения CP-симметрии. При распаде определенного вида нейтральных K-мезонов примерно одно событие из 500 не удовлетворяет тесту на симметрию. Первое подтверждение нарушения CP-симметрии было косвенным; последующие же эксперименты сделали этот эффект очевидным. В распадах K-мезонов левоориентированные частицы преобладают над правоориентированными (нарушение четности P), а материя над антиматерией (нарушение зарядовой симметрии C). Кроме того, комбинированная CP-симметрия также нарушается в распадах левоориентированная материя преобладает над правоориентированной. Это проявилось в форме запрещенного типа распада. В соответствии с CP-симметрией короткоживущие нейтральные K-мезоны должны распадаться на два пи-мезона, а долгоживущие нейтральные K-мезоны (в среднем они существуют в 500 раз дольше, чем короткоживущие) могут распадаться только на три пи-мезона. Экспериментальные результаты, встреченные сначала с недоверием, перед публикацией были в течение шести месяцев подвергнуты тщательному анализу и проверке, которые убедительно показали, что некоторые долгоживущие K-мезоны распадаются на два пи-мезона. Вне подозрений оставалась лишь общая симметрия – комбинация всех трех симметрий CPT. Любое явление, наблюдаемое в природе, обладает таким свойством, что соответствующее явление, возникающее при одновременной замене левого и правого, материи и антиматерии и обращении времени, должно быть равновероятно. Этот факт и нарушение CP-инвариантности привели в выводу: симметрия относительно обращения времени должна нарушаться. Если нарушается CP-симметрия, то для того, чтобы CPT-симметрия сохранялась, T-симметрия (относительно обращения времени) должна нарушаться. Распад К-мезона, нарушающий CP-симметрию, не может быть обращен во времени. Эти выводы заставили ученых не только переосмыслить прежние объяснения физических явлений, но и создать новую теорию эволюции Вселенной. Действительно, если в первые моменты "большого взрыва" материя и антиматерия образовались в равных количествах, то они могли бы полностью аннигилировать. Но нарушение CP-инвариантности позволяет античастицам распадаться быстрее, чем частицам, и, следовательно, быстрее исчезать, оставляя избыток частиц в виде вещества Вселенной. Что же касается процессов аннигиляции, то они пополняют запас электромагнитного излучения во Вселенной. В 1964 г. К. стал полным профессором Принстонского университета, но провел этот год в Центре ядерных исследований во Франции, работая с Турле. На следующий год К. вернулся в Принстон, где продолжил исследования нарушений СР-симметрии в распадах K-мезонов. В 1971 г. он стал сотрудником факультета Чикагского университета, где осуществил эксперименты на новом ускорителе Национальной ускорительной лаборатории Ферми, расположенной непосредственно за городской чертой. В 1980 г. К. и Фитч разделили Нобелевскую премию по физике "за открытие нарушений фундаментальных принципов симметрии при распаде нейтральных K-мезонов". В заключение своей Нобелевской лекции К. сказал: "Мы должны постоянно помнить о том, что нарушение CP-симметрии, сколь оно ни мало, является самым реальным эффектом... Этот эффект говорит о том, что между материей и антиматерией существует фундаментальная асимметрия и что она свидетельствует о возможности проявления асимметрии относительно обращения времени на уровне некоторых слабых взаимодействий... Мы надеемся, что когда-нибудь и это таинственное послание природы будет расшифровано". После получения Нобелевской премии К. продолжает работать в Чикагском университете, где, в частности, пытается понять глубинные причины нарушения СР-симметрии. В 1954 г. К. женился на Аннетт Мартин, аспирантке Чикагского университета. У них трое детей. Свой досуг чаще всего он проводит в загородном доме в штате Висконсин, любит совершать лыжные прогулки. Помимо Нобелевской премии, К. удостоен награды "За научные достижения" исследовательской корпорации Америки (1968), медали Джона Прайса Уэзерилла Франклиновского института (1975) и памятной награды Эрнеста Орландо Лоуренса по физике Управления энергетических исследований и разработок США (1977). Он является членом американской Национальной академии наук, Американского физического общества и Американской академии наук и искусств.