Герберт Х. Чен
Герберт Хва-сен Чен | |
|---|---|
| Рожденный | 16 марта 1942 г. |
| Умер | 7 ноября 1987 г. ( 45 лет |
| Национальность | Американский |
| Альма-матер | Калифорнийский технологический институт (BS) Принстонский университет (доктор философии) |
| Супруг | Кэтрин Ли (1969–1987) |
| Научная карьера | |
| Поля | Физика элементарных частиц |
| Учреждения | Калифорнийский университет, Ирвин |
| Диссертация | Электромагнитное моделирование нарушения обращения времени (1968) |
| Докторантура | Сэм Трейман |
Герберт Хва-сен Чен ( китайский : 陈华生 ) (16 марта 1942 — 7 ноября 1987) — американский физик-теоретик и экспериментатор китайского происхождения из Калифорнийского университета в Ирвайне, известный своим вкладом в область обнаружения нейтрино . Работа Чена по наблюдению упругого нейтрино - электронного рассеяния обеспечила важную экспериментальную поддержку электрослабой теории стандартной модели физики элементарных частиц. [1] В 1984 году Чен понял, что дейтерий тяжелой воды можно использовать в качестве детектора, позволяющего различать ароматы солнечных нейтрино . [2] Эта идея побудила Чена разработать планы Нейтринной обсерватории Садбери , которая в конечном итоге проведет фундаментальные измерения, демонстрирующие, что нейтрино являются частицами с массой.
Образование и молодость
[ редактировать ]
Чэнь родился в Чункине , Китай , в 1942 году. Его раннее детство прошло в условиях нестабильности и отсутствия безопасности военного времени. Он иммигрировал в США со своей семьей в 1955 году. [3] в соответствии с Законом Эйзенхауэра о помощи беженцам 1953 года. [4] В 1960 году он окончил среднюю школу Академии Кушинга , штат Массачусетс . [3] Получив образование, почти полностью поддерживаемое стипендиями, он впоследствии получил степень бакалавра наук по физике в Калифорнийском технологическом институте в 1964 году. [4] Затем Чен получил докторскую степень по теоретической физике в Принстонском университете в 1968 году, написав диссертацию на тему «Электромагнитное моделирование нарушения обращения времени» под руководством Сэма Треймана . [5] [6]
Чен присоединился к недавно созданному физическому факультету Калифорнийского университета в Ирвине в качестве постдокторанта-теоретика в 1968 году. [7] [8] Он был одним из первых участников Фредерика Рейнса группы Neutrino . Райнс работал над Манхэттенским проектом во время войны и открыл нейтрино в 1956 году, что принесло ему Нобелевскую премию в 1995 году. [9] и помог основать новый университет в Ирвайне в 1966 году. [8] Несмотря на образование в области теоретической физики, Чен начал долгосрочную экспериментальную программу по разработке методов измерения свойств нейтрино. [7]
В 1974 году Чен был назначен доцентом физики в Калифорнийском университете в Ирвине. [10] и профессору физики в 1980 году. [11]
Нейтринная физика в LAMPF
[ редактировать ]Чен начал исследовательскую программу по использованию плотного потока нейтрино, созданного в Лос-Аламосском центре физики мезонов (LAMPF), который теперь называется Лос-Аламосским нейтронным научным центром . Пока ускоритель LAMPF былРазработанный в первую очередь для ускорения пучка протонов высокой интенсивности до энергий, достаточно высоких для образования несвязанных пионов , побочными продуктами работы LAMPF были интенсивные импульсы нейтрино с кинетической энергией от 10 до 55 миллионов электронвольт (МэВ). [12] В 1971 г., еще до начала работы LAMPF, К. Ланде, Ф. Райнес и другие, в том числе Чен, предложили использовать эти нейтрино. [12] [13] К 1981 году Чен был председателем рабочей группы по нейтринным установкам и Технического консультативного совета группы пользователей LAMPF. [14]
Одним из направлений работы Чена в LAMPF был эксперимент E-225, начатый в 1975 году и возглавляемый Ченом, по измерению электронного нейтрино-электронного упругого рассеяния.
н
и +
и −
→
н
и +
и −
. [12]
Это, казалось бы, простое взаимодействие на самом деле представляет собой слабое силовое взаимодействие, опосредованное либо нейтральным
С 0
или заряженный
В +
,
В −
бозоны слабого взаимодействия . [15] В последнем взаимодействииэлектрон преобразуется в нейтрино (и наоборот) в результате обмена виртуальными частицами. Таким образом, измерение упругого рассеяния было средством определения свойств бозонов, впервые обнаруженных в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН в 1983 году. Измерения этого сечения, окончательные результаты, опубликованные в 1993 году, находились в превосходном согласии с Стандартной модели предсказаниями . Эксперимент LAMPF E-225, проверивший эффекты квантово-механической интерференции двух режимов взаимодействия, стал важным испытанием теории Стандартной модели. [1]
Камера проекции времени с жидким аргоном
[ редактировать ]В 1976 году Чен с коллегами из Калифорнийского университета в Ирвайне и Калифорнийского технологического института предложили одно из первых применений жидкого аргона в камере проекции времени (жидкий Ar TPC). [16] [17] Это предложение было независимым и почти одновременно с предложением Карло Руббиа построить такое устройство в ЦЕРН для экспериментов по физике редких частиц. [18] Первоначальными целями Чена с таким детектором было изучение рассеяния нейтрино-электронов, но затем цели превратились в измерение солнечных или космических нейтрино или распада протона. [16] [18] [19]
Сетевые вычисления для физики элементарных частиц
[ редактировать ]В 1984 году Чен возглавил специальный комитет, спонсируемый Национальным научным фондом (NSF), для изучения проблемы того, как физики элементарных частиц могут получить удаленный доступ к нескольким суперкомпьютерным центрам NSF в Соединенных Штатах для своих вычислений. [20] Как рассказал Джон Крамер , профессор физики Вашингтонского университета в Сиэтле , окончательный отчет комитета был составлен Ченом. Представленный доклад способствовал действиям Конгресса, спонсируемым сенатором Элом Гором . В конечном итоге в Соединенных Штатах было создано пять новых суперкомпьютерных центров NSF с сетью NSFNET, предназначенной для подключения их к университетам и другим пользователям. [20] NSFNET вскоре была объединена с ARPANET , и эта сеть в конечном итоге стала Интернетом .
Проблема солнечных нейтрино
[ редактировать ]Солнце питается за счет ядерного синтеза посредством протон-протонной цепной реакции , которая преобразует четыре протона в альфа-частицы , нейтрино , позитроны и энергию. [21] Энергия процесса термоядерного синтеза выделяется в виде электромагнитного излучения, гамма-лучей и кинетической энергии как заряженных частиц, так и нейтрино. Нейтрино путешествуют от ядра Солнца к Земле без какого-либо заметного поглощения внешними слоями Солнца. Ожидаемое количество солнечных нейтрино, прибывающих на Землю, можно вычислить, используя стандартную солнечную модель . [21] Модель дает подробный отчет о внутренней работе Солнца.
В конце 1960-х годов Рэй Дэвис и Джон Н. Бахколл разработали эксперимент Хоумстейк для измерения потока нейтрино от Солнца. На золотом руднике Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота , Дэвис разместил резервуар с перхлорэтиленом емкостью 380 кубических метров (100 000 галлонов) на глубине 1478 метров (4850 футов) под землей в качестве мишени для нейтрино. [22] В ходе эксперимента будет измерено взаимодействие нейтрино с хлором , поскольку перхлорэтилен — это обычная жидкость для химической чистки, богатая этим элементом. Цель была необходима глубоко под землей, чтобы уменьшить шум от космических лучей, а цель большого размера была необходима, поскольку вероятность успешного захвата нейтрино была очень мала. Ожидалась очень низкая эффективная скорость обнаружения даже при огромной массе цели. В ходе эксперимента было зарегистрировано гораздо меньше нейтринных взаимодействий, чем ожидалось, что указывает на дефицит потока нейтрино. Многие последующие радиохимические и водные черенковские детекторы подтвердили этот дефицит, который стал известен как проблема солнечных нейтрино. Результат, казалось, подразумевал, что нейтрино меняли свои свойства по мере пути от Солнца к Земле.
В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба получили часть Нобелевской премии по физике за экспериментальную работу, обнаружившую, что количество солнечных нейтрино составляет примерно треть от числа, предсказанного стандартной солнечной моделью. [23]
Тяжелая вода для детектора нейтрино
[ редактировать ]В 1984 году Чен предложил использовать большой детектор тяжелой воды в качестве средства наблюдения солнечных нейтрино для решения проблемы солнечных нейтрино. [2] [24] Использование дейтерия и тяжелой воды имело то свойство, что нейтринные взаимодействия можно было наблюдать как в реакциях с нейтральным током , так и в реакциях с заряженным током :
н
+ д + →
н
+
п +
+
н
(нейтральный ток)
н
е + д + →
и −
+
п +
+
п +
(зарядный ток)
где слева
н
,
н
e и d относятся к общему нейтрино, электронному нейтрино и дейтерию соответственно, а справа
п +
,
н
, и
и −
относятся к протону, нейтрону и электрону. [25] [26] Указаны их электрические заряды. Существует три разных типа или аромата нейтрино : электрон, мюон и тау . В реакции нейтрального тока участвуют все типы нейтрино, тогда как в реакции заряженного тока участвуют только типы электронных нейтрино. Заряженный ток осуществляется через заряженный
В +
и
В −
бозоны, а нейтральный ток опосредован нейтральным
С 0
. Вышеуказанные реакции можно было различить в детекторе по их различным свойствам, например, гамма-излучение от захвата нейтрона в первой реакции и черенковское излучение электрона во второй реакции. Относительные скорости этих реакций были бы совсем другими, если бы нейтрино меняли или не меняли аромат по мере пути от Солнца к Земле.
Чен и другие сформировали исследовательскую группу, которая спроектировала Нейтринную обсерваторию Садбери (SNO), чтобы использовать идею его основополагающей статьи. [2] [27] Обсерватория должна была быть расположена на глубине 2100 метров под землей в никелевом руднике недалеко от Садбери , Онтарио , Канада . Чен был лидером и представителем этого проекта в США, а Джордж Юэн возглавлял канадскую команду. [2] [28] Хотя одно из направлений исследований было сосредоточено на вопросе солнечных нейтрино, использование термина «Обсерватория» должно было подчеркнуть намерение использовать установку для регистрации нейтринных импульсов, возникающих в результате астрономических событий, нейтринной астрономии . [29] Аргумент астрономической обсерватории оказался убедительным после того, как в феврале 1987 года от сверхновой SN 1987A были обнаружены нейтринные вспышки . [30] Первоначальной проблемой, которую решили решить Чен и его коллеги, было приобретение 1000 тонн тяжелой воды у канадской атомной энергетической компании Atomic Energy of Canada Limited , которая будет использоваться в качестве детектора. [2] Основная проблема с наблюдениями нейтрино заключается в том, что вероятность взаимодействия настолько мала, что требуется огромное количество возможных целей, чтобы иметь возможность наблюдать небольшое количество происходящих взаимодействий.
Смерть
[ редактировать ]На этапе интенсивного планирования и разработки SNO у Чена был диагностирован лейкемия . После годичной борьбы с болезнью Чен умер в ноябре 1987 года. [4] В январе 1988 года в Калифорнийском университете в Ирвайне в знак признания вклада Чена прошел симпозиум по физике нейтрино, модератором которого выступил Фредерик Рейнс. Основным докладчиком был нобелевский лауреат и астрофизик Уильям Фаулер , который вел дискуссию на тему «Херб Чен и солнечные нейтрино». [31]
Калифорнийский университет в Ирвине, факультет физических наук, учредил премию Герберта Х. Чена, «вручаемую выдающемуся студенту-физику младших курсов». [32]
Нейтринная обсерватория Садбери
[ редактировать ]Нейтринная обсерватория Садбери была построена в 1990-х годах, и ее первым директором стал соавтор Чена Артур Б. Макдональд . [2] [33] [34] Наблюдения SNO продемонстрировали бы, что нейтрино колеблются между ароматами нейтрино (электронный, мюонный и тау), тем самым демонстрируя, что нейтрино не является безмассовым. [29] За это фундаментальное открытие в физике Макдональд и коллаборация нейтринной обсерватории Садбери были удостоены Нобелевской премии по физике 2015 года совместно с японским физиком Такааки Кадзита и коллаборацией Супер-Камиоканде . [35]
См. также
[ редактировать ]- Проблема солнечных нейтрино
- Фредерик Рейнс
- Нейтринные осцилляции
- СН 1987А
- Нейтринная астрономия
- Детектор Ирвина – Мичигана – Брукхейвена .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Зубер, К. (2004). Нейтринная физика . Нью-Йорк, Лондон: Группа Тейлора и Фрэнсиса. п. 56. ИСБН 978-0-7503-0750-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Юэн, GT; Дэвидсон, ВФ (2005). «Раннее развитие подземной лаборатории SNO в Канаде» (PDF) . Физика в Канаде . Том. 61. С. 339–346, 347–350. Архивировано из оригинала (PDF) 4 декабря 2016 года . Проверено 13 декабря 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Херб Чен '60: новаторский вклад в исследования, получившие Нобелевскую премию 2015 года» . Журнал Cushing Academy: Кушинг вчера и сегодня . Академия Кушинга. Весна 2016. Архивировано из оригинала 4 июня 2017 года . Проверено 30 мая 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Бандер, М.; Рейнс, Ф.; Шоу, Г. (1987). «Герберт Х. Чен, Физика: Ирвин» . В память . Калифорнийский университет . Проверено 13 октября 2015 г.
- ^ «Электромагнитное моделирование нарушения обращения времени» . Принстонский университет . Проверено 25 января 2017 г.
- ^ Чен, Х.Х. (1969). «Электромагнитное моделирование нарушения обращения времени в бета-распадах зеркального спина 3/2». Физический обзор . 185 (5): 2003–2006. Бибкод : 1969PhRv..185.2003C . doi : 10.1103/PhysRev.185.2003 .
- ^ Перейти обратно: а б Аллен, Р.; Доу, П.; Рейнс, Ф. (1988). «Герберт Х. Чен (Некролог)». Физика сегодня . 4 (9): 128. Бибкод : 1988PhT....41i.128A . дои : 10.1063/1.2811575 .
- ^ Перейти обратно: а б Кропп, В.; Шульц Дж.; Собель, Х. (2009). Фредерик Рейнс 1918–1998 Биографические мемуары (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук . Проверено 17 марта 2010 г.
- ^ Райнес, Фредерик (8 декабря 1995 г.). «Нейтрино: от полтергейста к частице» (PDF) . Нобелевский фонд . Проверено 20 февраля 2015 г.
Нобелевская лекция
- ^ «Назначения и повышения по службе: Ирвин: до доцента или его эквивалента». Университетский бюллетень: издание для преподавателей и сотрудников Калифорнийского университета . Калифорнийский университет. 16 декабря 1974 года.
{{cite web}}: Отсутствует или пусто|url=( помощь ) - ^ «Калифорнийский университет, Ирвин, Общий каталог 1980–81 гг.» (PDF) . Кафедра физики . 1980 год . Проверено 6 июня 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Гарви, Г. (1997). «Краткая история нейтринных экспериментов в LAMPF» . Лос-Аламосская наука . 25 :8 стр . Проверено 21 января 2017 г.
- ^ Ланде, К.; Рейнс, Ф. (1971). «Предложение по установке нейтрино LAMPF» . Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории . LA-4842-MS: 51 стр . Проверено 21 января 2017 г.
- ^ Кокран, ДФР (1982). «Материалы пятнадцатого собрания группы пользователей LAMPF» . Труды группы пользователей LAMPF, Национальная лаборатория Лос-Аламоса, Нью-Мексико (США) : 136 стр . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ Аллен, Р.С.; Чен, Х.Х.; и др. (1993). «Исследование упругого электрон-нейтрино-электронного рассеяния на LAMPF». Физический обзор D . 47 (1): 11–28. Бибкод : 1993PhRvD..47...11A . дои : 10.1103/PhysRevD.47.11 . ПМИД 10015375 .
- ^ Перейти обратно: а б Чен, Х.Х.; Кондон, ЧП; Бариш, Британская Колумбия; Скиулли, Ф.Дж. (1976). «Детектор нейтрино, чувствительный к редким процессам. I. Исследование электронных реакций нейтрино» (PDF) . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми . Предложение P-496: 42 стр . Проверено 28 января 2017 г.
- ^ Чен, Х.Х.; Латроп, Дж. Ф. (1978). «Наблюдение ионизации электронов, дрейфующих на большие расстояния в жидком аргоне». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 150 (3): 585–588. Бибкод : 1978NucIM.150..585C . дои : 10.1016/0029-554x(78)90132-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Док, Т. (1993). «Исторический взгляд на исследования и разработки детекторов жидких редких газов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . А327 (1): 113–118. Бибкод : 1993NIMPA.327..113D . дои : 10.1016/0168-9002(93)91423-К .
- ^ «Камере проекции времени исполняется 25 лет» . ЦЕРН: Курьер ЦЕРН . 27 декабря 2004 года . Проверено 29 января 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Крамер, Дж. Г. (2013). «Как мы с Элом Гором изобрели Интернет» . Аналоговая научная фантастика и факты . Март, Колонка альтернативного просмотра AV-166: 113–118 . Проверено 28 января 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Серенелли, А. (2008). «Стандартные солнечные модели». В Солере, FJP; Фроггатт, CD; Мухейм, Ф. (ред.). Нейтрино в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. 119. ИСБН 9781420082395 .
- ^ Кливленд, Британская Колумбия; и др. (1998). «Измерение потока солнечных электронных нейтрино с помощью хлорного детектора Homestake» . Астрофизический журнал . 496 (1): 505–526. Бибкод : 1998ApJ...496..505C . дои : 10.1086/305343 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 2002» . Проверено 18 июля 2006 г.
- ^ Макдональд, AB; Кляйн, младший; Уорк, Д.Л. (2003). «Решение проблемы солнечных нейтрино». Научный американец . 288 (4): 40–49. Бибкод : 2003SciAm.288d..40M . doi : 10.1038/scientificamerican0403-40 . ПМИД 12661314 .
- ^ Чен, Х.Х. (1985). «Солнечные нейтрино и нейтринная астрономия (Homestake, 1984)». Конференция АИП. Проц . 126 : 249–276. дои : 10.1063/1.35156 .
- ^ Чен, Х.Х. (1985). «Прямой подход к решению проблемы солнечных нейтрино». Физ. Преподобный Летт. 55 (14): 1534–1536. Бибкод : 1985PhRvL..55.1534C . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.1534 . ПМИД 10031848 .
- ^ Синклер, Д.; Картер, Алабама; Кесслер, Д.; и др. (1986). «Предложение построить нейтринную обсерваторию в Садбери, Канада». Иль Нуово Чименто C. 9 (2): 308–317. Бибкод : 1986NCimC...9..308S . дои : 10.1007/BF02514850 . S2CID 122544471 .
- ^ Чен, Х.Х.; для сотрудничества Нейтринной обсерватории Садбери (1988). «Нейтринная обсерватория Садбери: исследования нейтрино Солнца и сверхновых с помощью большого черенковского детектора тяжелой воды» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . А264 (1): 48–54. Бибкод : 1988NIMPA.264...48C . дои : 10.1016/0168-9002(88)91101-1 .
- ^ Перейти обратно: а б «Нейтринная обсерватория Садбери – взгляд Канады на Вселенную» . ЦЕРН: Курьер ЦЕРН. 4 декабря 2001 года . Проверено 15 декабря 2016 г.
- ^ Арнетт, штат Вашингтон; и др. (1989). «Сверхновая 1987А». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 27 : 629–700. Бибкод : 1989ARA&A..27..629A . дои : 10.1146/annurev.aa.27.090189.003213 .
- ^ «Семинар UCI в честь работ Чена по нейтрино» . Лос-Анджелес Таймс . 31 декабря 1987 года . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «Физические науки, награды и награды UCI» . Калифорнийский университет в Ирвайне . Проверено 30 января 2017 г.
- ^ Богер, Дж.; и др. (2000). «Нейтринная обсерватория Садбери» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . А449 (1–2): 172–207. arXiv : nucl-ex/9910016 . Бибкод : 2000NIMPA.449..172B . дои : 10.1016/S0168-9002(99)01469-2 .
- ^ «Интервью с Артуром Б. Макдональдом» . Архивировано из оригинала 17 ноября 2007 года . Проверено 2 ноября 2007 г.
- ^ «Нобелевская премия по физике 2015» . Проверено 24 января 2017 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Нейтринная обсерватория Садбери» . Проверено 13 октября 2015 г.
- Цзяо Сюань (10 сентября 2015 г.). «Интерпретация экспертами Шанхайского университета Цзяотун Нобелевской премии по физике 2015 года» [Интерпретация экспертами Шанхайского университета Цзяотун Нобелевской премии по физике 2015 года. ] Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. . Проверено 13 октября 2015 г.
- ХЬЮ ЭН ЧЕН (1901-1993) Неофициальное письмо с описанием семьи Херба Чена и иммиграции в Соединенные Штаты в 1955 году ( веб-сайт Китайской национальной авиационной корпорации ) (дата доступа 24 января 2017 г.)