Джек Штейнбергер (1921-2020) – американо-немецкий физик, лауреат Нобелевской премии за открытие мюонного нейтрино. Биография, научные достижения и вклад в физику частиц.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Немецко-американский физик, лауреат Нобелевской премии (1921–2020)
German American physicist, Nobel laureate (1921–2020)
Джек Штайнбергер (урождённый Ханс Якоб Штайнбергер; 25 мая 1921 – 12 декабря 2020) – немецко-американский физик, известный своими работами в области нейтрино, субатомных частиц, считающихся элементарными составляющими материи. Он был удостоен Нобелевской премии по физике 1988 года совместно с Леоном М. Ледерманом и Мелвином Шварцем за открытие мюонного нейтрино. На протяжении своей карьеры экспериментального физика частиц он занимал должности в Калифорнийском университете в Беркли, Колумбийском университете (1950–1968) и в ЦЕРНе (1968–1986). Он также был награждён Национальной научной медалью США в 1988 году и медалью Маттеуччи Итальянской академии наук в 1990 году.
Jack Steinberger (born Hans Jakob Steinberger; May 25, 1921December 12, 2020) was a German born American physicist noted for his work with neutrinos, the subatomic particles considered to be elementary constituents of matter. He was a recipient of the 1988 Nobel Prize in Physics, along with Leon M. Lederman and Melvin Schwartz, for the discovery of the muon neutrino. Through his career as an experimental particle physicist, he held positions at the University of California, Berkeley, Columbia University (1950–68), and the CERN (1968–86). He was also a recipient of the United States National Medal of Science in 1988, and the Matteucci Medal from the Italian Academy of Sciences in 1990.
Ранние годы и образование
Штайнбергер родился 25 мая 1921 года в городе Бад-Киссинген, Бавария, Германия, в еврейской семье. Его семья пыталась отправить его из страны. Штайнбергер эмигрировал в Соединенные Штаты в возрасте 13 лет, совершив трансатлантическое путешествие со своим братом Гербертом. Еврейские благотворительные организации в США организовали, чтобы о нем заботился Барнетт Фарролл как о приемном сыне. Штайнбергер учился в средней школе Нью-Трир-Тауншип в Виннетке, штат Иллинойс. В 1938 году он воссоединился с родителями и младшим братом. Благодаря G.I. Bill, в 1946 году он вернулся к обучению в аспирантуре Чикагского университета, где учился у Эдварда Теллера и Энрико Ферми.
Steinberger was born in the city of Bad Kissingen in Bavaria, Germany, on May 25, 1921 into a Jewish family. to send him out of the country. Steinberger emigrated to the United States at the age of 13, making the trans Atlantic trip with his brother Herbert. Jewish charities in the U. S. arranged for Barnett Farroll to care for him as a foster child. Steinberger attended New Trier Township High School, in Winnetka, Illinois. He was reunited with his parents and younger brother in 1938. With the help of the G. I. Bill, he returned to graduate studies at the University of Chicago in 1946, where he studied under Edward Teller and Enrico Fermi.
Ранние исследования
После получения докторской степени Штайнбергер в течение года посещал Институт перспективных исследований в Принстоне. В 1949 году он опубликовал расчет времени жизни нейтрального пиона, который предвосхитил изучение аномалий в квантовой теории поля. После Принстона, в 1949 году, Штайнбергер отправился в Лабораторию радиации Калифорнийского университета в Беркли, где провёл эксперимент, продемонстрировавший рождение нейтральных пионов и их распад на пары фотонов. В этом эксперименте использовался синхротрон с энергией 330 МэВ и недавно изобретённые сцинтилляционные счётчики. Несмотря на это и другие достижения, в 1950 году его попросили покинуть Лабораторию радиации в Беркли из-за отказа подписать так называемую антикоммунистическую присягу. Прямое измерение рождения пионов на мишени из жидкого водорода, который тогда не был распространённым инструментом, позволило получить данные, необходимые для установления того, что пион имеет спин, равный нулю. Та же мишень была использована для наблюдения относительно редкого распада нейтральных пионов на фотон, электрон и позитрон. В смежном эксперименте была измерена разность масс между заряженными и нейтральными пионами на основе угловой корреляции между нейтральными пионами, возникающими при захвате отрицательного пиона протоном в ядре водорода. Другие важные эксперименты изучали угловую корреляцию между электронно-позитронными парами в распадах нейтральных пионов и установили редкий распад заряженного пиона на электрон и нейтрино; для последнего требовалось использование пузырьковой камеры, заполненной жидким водородом.
After receiving his doctorate, Steinberger attended the Institute for Advanced Study in Princeton for a year. In 1949 he published a calculation of the lifetime of the neutral pion, which anticipated the study of anomalies in quantum field theory. Following Princeton, in 1949, Steinberger went to the Radiation Lab at the University of California at Berkeley, where he performed an experiment which demonstrated the production of neutral pions and their decay to photon pairs. This experiment utilized the 330 MeV synchrotron and the newly invented scintillation counters. Despite this and other achievements, he was asked to leave the Radiation Lab at Berkeley in 1950, due to his refusal to sign the so called non Communist Oath. A direct measurement of the production of pions on a liquid hydrogen target, then not a common tool, provided the data needed to show that the pion has spin zero. The same target was used to observe the relatively rare decay of neutral pions to a photon, an electron, and a positron. A related experiment measured the mass difference between the charged and neutral pions based on the angular correlation between the neutral pions produced when the negative pion is captured by the proton in the hydrogen nucleus. Other important experiments studied the angular correlation between electron–positron pairs in neutral pion decays, and established the rare decay of a charged pion to an electron and neutrino; the latter required use of a liquid hydrogen bubble chamber.
Исследования странных частиц
В 1954–1955 годах Штайнбергер внес вклад в разработку пузырьковой камеры, построив 15-сантиметровое устройство для использования с Космотроном в Национальной лаборатории Брукхейвена. В эксперименте использовался пионный пучок для получения пар адронов, содержащих странные кварки, с целью выяснения загадочных свойств рождения и распада этих частиц. В 1956 году он использовал 30-сантиметровую камеру, оснащенную тремя камерами, для открытия нейтрального сигма-гиперона и измерения его массы. Это наблюдение было важным для подтверждения существования SU(3) симметрии вкуса, которая постулирует существование странного кварка. Важной характеристикой слабого взаимодействия является нарушение симметрии четности. Эта характеристика была установлена посредством измерения спинов и четности многих гиперонов. Штайнбергер и его коллеги внесли вклад в ряд таких измерений, используя большие (75 см) пузырьковые камеры с жидким водородом и разделенные адронные пучки в Брукхейвене. Одним из примеров является измерение распределения по инвариантной массе электронно-позитронных пар, образовавшихся при распаде сигма-нуль гиперонов в лямбда-нуль гипероны.
During 1954–1955, Steinberger contributed to the development of the bubble chamber with the construction of a 15 cm device for use with the Cosmotron at Brookhaven National Laboratory. The experiment used a pion beam to produce pairs of hadrons with strange quarks to elucidate the puzzling production and decay properties of these particles. In 1956, he used a 30 cm chamber outfitted with three cameras to discover the neutral Sigma hyperon and measure its mass. This observation was important for confirming the existence of the SU(3) flavor symmetry which hypothesizes the existence of the strange quark. An important characteristic of the weak interaction is its violation of parity symmetry. This characteristic was established through the measurement of the spins and parities of many hyperons. Steinberger and his collaborators contributed several such measurements using large (75 cm) liquid hydrogen bubble chambers and separated hadron beams at Brookhaven. One example is the measurement of the invariant mass distribution of electron–positron pairs produced in the decay of Sigma zero hyperons to Lambda zero hyperons.
Нейтрино и слабый нейтральный ток
В 1960-х годах акцент в изучении слабого взаимодействия переместился от странных частиц к нейтрино. Леон Ледерман, Стейнбергер и Шварц построили большие искровые камеры в лабораториях Невис и в 1961 году облучили их пучком нейтрино, рожденных вместе с мюонами при распадах заряженных пионов и каонов. Они использовали Альтернативный градиентный синхротрон (АГС) в Брукхейвене и зарегистрировали ряд убедительных событий, в которых производились мюоны, но не электроны. Этот результат, удостоенный Нобелевской премии в 1988 году, доказал существование нейтрино, связанного с мюоном, отличного от нейтрино, образующегося при бета-распаде.
In the 1960s, the emphasis in the study of the weak interaction shifted from strange particles to neutrinos. Leon Lederman, Steinberger and Schwartz built large spark chambers at Nevis Labs and exposed them in 1961 to neutrinos produced in association with muons in the decays of charged pions and kaons. They used the Alternating Gradient Synchrotron (AGS) at Brookhaven, and obtained a number of convincing events in which muons were produced, but no electrons. This result, for which they received the Nobel Prize in 1988, proved the existence of a type of neutrino associated with the muon, distinct from the neutrino produced in beta decay.
Исследование нарушения ПП
Нарушение CP (конъюгация заряда и паритет) было установлено в нейтральной системе каонов в 1964 году. Штейнбергер понял, что феноменологический параметр эпсилон (ε), который определяет степень нарушения CP, можно измерить в интерференционных явлениях (см. нарушение CP). В сотрудничестве с Карло Руббией он провел эксперимент во время пребывания в CERN в 1965 году, который убедительно продемонстрировал ожидаемый эффект интерференции, а также точно измерил разницу масс короткоживущих и долгоживущих нейтральных каонов. Вернувшись в Соединенные Штаты, Штейнбергер провел эксперимент в Брукхейвене для наблюдения нарушения CP в полулепто́нных распадах нейтральных каонов. Асимметрия по заряду напрямую связана с параметром эпсилон, который таким образом был точно измерен. Этот эксперимент также позволил определить фазу эпсилон и подтвердил, что CPT является хорошей симметрией природы.
The CP violation (charge conjugation and parity) was established in the neutral kaon system in 1964. Steinberger recognized that the phenomenological parameter epsilon (ε) which quantifies the degree of CP violation could be measured in interference phenomena (See CP violation). In collaboration with Carlo Rubbia, he performed an experiment while on sabbatical at CERN during 1965 which demonstrated robustly the expected interference effect, and also measured precisely the difference in mass of the short lived and long lived neutral kaon masses. Back in the United States, Steinberger conducted an experiment at Brookhaven to observe CP violation in the semi leptonic decays of neutral kaons. The charge asymmetry relates directly to the epsilon parameter, which was thereby measured precisely. This experiment also allowed the deduction of the phase of epsilon, and confirmed that CPT is a good symmetry of nature.
Избранные публикации
Штейнбергер, Дж. & A. S. Бишоп. "Обнаружение искусственно созданных фотомезонов с помощью счетчиков", Лаборатория радиации, Калифорнийский университет в Беркли, Министерство энергетики США (через предшествующее агентство Комиссия по атомной энергии), (8 марта 1950 г.). Штейнбергер, Дж., W. K. H. Панофски & J. Стеллер. "Свидетельства о рождении нейтральных мезонов фотонами", Лаборатория радиации, Калифорнийский университет в Беркли, Министерство энергетики США (через предшествующее агентство Комиссия по атомной энергии), (апрель 1950 г.). Панофски, В. К. Х., Дж. Штейнбергер & J. Стеллер. "Дополнительные результаты по рождению нейтральных мезонов фотонами", Лаборатория радиации, Калифорнийский университет в Беркли, Министерство энергетики США (через предшествующее агентство Комиссия по атомной энергии), (1 октября 1950 г.). Штейнбергер, Дж. "Экспериментальный обзор распадов странных частиц", Колумбийский университет, лаборатории Невис, Министерство энергетики США (через предшествующее агентство Комиссия по атомной энергии), (июнь 1964 г.).
Steinberger, J. & A. S. Bishop. "The Detection of Artificially Produced Photomesons with Counters", Radiation Laboratory, University of California Berkeley, United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (March 8, 1950). Steinberger, J., W. K. H. Panofsky & J. Steller. "Evidence for the Production of Neutral Mesons by Photons", Radiation Laboratory, University of California Berkeley, United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (April 1950). Panofsky, W. K. H., J. Steinberger & J. Steller. "Further Results on the Production of Neutral Mesons by Photons", Radiation Laboratory, University of California Berkeley, United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (October 1, 1950). Steinberger, J. "Experimental Survey of Strange Particle Decays", Columbia University, Nevis Laboratories, United States Department of Energy (through predecessor agency the Atomic Energy Commission), (June 1964).
Личная жизнь
Первый брак Штайнбергера с Джоан Борегард закончился разводом, после чего он женился на своей бывшей студентке, биологе Синтии Альфф. Его сын Нед Штайнбергер — основатель одноименной компании, производящей гитары и бас-гитары без грифа, а его дочь Джулия Штайнбергер — эколог-экономист в Университете Лозанны. Будучи атеистом и гуманистом, Штайнбергер был удостоен звания лауреата Гуманизма в Международной академии гуманизма. Как он сам отмечал, он любил играть в теннис, заниматься альпинизмом и парусным спортом. Он скончался 12 декабря 2020 года в своем доме в Женеве в возрасте 99 лет.
Steinberger's first marriage to Joan Beauregard ended in a divorce, after which he married his former student, biologist Cynthia Alff. His son Ned Steinberger is the founder of the eponymous company for headless guitars and basses, and his daughter Julia Steinberger is an ecological economist at the University of Lausanne. As an atheist and a humanist, Steinberger was a Humanist Laureate in the International Academy of Humanism. In his own words, he is noted to have enjoyed tennis, mountaineering and sailing. He died on December 12, 2020, at his home in Geneva. He was aged 99.