Визначмося з одиницями вимірювання енергії. У класичній механіці енергію вимірюють у джоулях (Дж). Це — енергія, яка виробляється на 1 кілограм, що падає з висоти 10 см у земному гравітаційному полі. В електриці 1 Дж — це енергія, яку отримуємо за заряду в 1 кулон (Кл), що перетинає різницю напруги в 1 вольт (В).
Один джоуль — завелика енергія для опису елементарних частинок. Однак нещодавно виявили надзвичайно рідкісні космічні промені, енергія яких перевищує 10 Дж, і нині дослідним способом вивчаються їхні властивості.
Представники субатомної фізики запропонували іншу, зручнішу одиницю — електронвольт (еВ). Як указує назва, 1 еВ — це енергія, якої набуває електрон, прискорений різницею напруги 1 В.
Якщо елементарний заряд електрона досягає 1,6х10-19 Кл, то виникає відповідне рівняння 1 еВ = 1,6х10-19 Дж. Отже, електронвольт (еВ) позначає мінімальну кількість енергії; це енергія, яку несуть видимі фотони, що доходять до нас із Сонця та збуджують сітківку ока. Якщо точніше, то видиме світло заповнює енергетичний проміжок від 1,3 еВ (червоне) до 3 еВ (синє).
Теорія відносності уславленою формулою Айнштайна Е = mc2 пов’язує масу та енергію однієї частинки. Тоді використовують похідні від електровольта: кеВ (кіло), МеВ (мега), ГеВ (гіга), ТеВ (тера)… Промені, відкриті Рентгеном, переносять енергію порядку кілоелектровольт — до 100 кеВ. Типовий для радіоактивності рівень енергії — близько 1 МеВ. У середині 1950-х років прискорювачі досягали порядку гігаелектровольт, а нова межа сягає кількох тераелектровольт, себто кілька тисяч мільярдів електровольт. Отже, маси повинні описуватися відношенням еВ/с2. Так, маса електрона складає 511 кеВ/с2, а протона — 935 МеВ/с2.
Що таке прискорювач? Це прилад, що дозволяє збільшувати енергію частинок. Для цього слід пустити частинку до електричного поля якомога вищої напруги. Так можна прискорити заряджені стабільні частинки. На практиці ж у перших прискорювачах досліджували протони та електрони. Згодом техніка дала змогу взятися до антипротонів і позитронів, а також до атомних ядер. Нині ж можна говорити про дослідження мюонів, хоча мюон — нестабільна частинка; втім, здійснення таких досліджень ще потребує серйозних доопрацювань.
Що вища напруга поля, то більше енергії вивільниться. Спершу з’явилися прискорювачі електростатичного типу Ван де Граафа — вони могли сягати 10 м задовжки та прискорювати до кількох мегаелектровольт. Отже, треба мати в розпорядженні потенціал у кілька мегавольт — і проблеми з пробоєм швидко вирішуються.
У 1939 р. Ернест Орландо Лоренс одержав Нобелівську премію за «винахід і вдосконалення циклотрона і результати, отримані за його допомоги». Лоренсові спала на думку ідея примусити частинки багаторазово перетнути область, де є електричне поле. Тож електричне поле може мати середню напругу. Але цей спосіб вимагає наявності магнітного поля, здатного вигинати траєкторію частинок і відкидати їх до порожнин прискорення. Саме в цьому полягає принцип дії циклотрона — круглястої порожнини, зануреної в магнітне поле. Останнє не прискорює частинки — тобто не підвищує її швидкості. Треба лише змінити напрямок руху, що дозволить замкнути траєкторію частинок таким чином, щоб вони перетнули поле прискорювача багато разів. Що вища енергія, то більший радіус траєкторії, а отже, енергія відповідає діаметрові приладу.
Завдяки прискорювачам уможливлюється систематичне вимірювання зіткнень. Джон Даґлес Кокрофт і Ернест Томас Волтон 1951 р. отримали Нобелівську премію за «перетворення атомних ядер за допомоги штучного прискорювача». Ще раз прискорювачі вшанували 1959 р., коли Еміліо Сеґре та Овена Чемберлена відзначили за «відкриття антипротона». Цей випадок — унікальний і заслуговує на розповідь.
Отже, античастинки існують. Але це — дуже рідкісне явище. Адже частинка і античастинка, стикаючись, мають властивість взаємознищуватися, себто зникати, утворюючи фотони або інші частинки, якщо енергії достатньо. Звідси — скороминуще існування античастинок на землі та й взагалі у всесвіті. Хоч античастинки теоретично існують так само, як і частинки, утворені в ході реакцій з виділенням високих енергій, все ж вони швидко зникають із довкілля, бо обов’язково стикаються з частинками і взаємознищуються.
Експеримент у Берклі дав привід іще більше зацікавитися прискорювачами: фізики залишили космічні промені та кинулися до великих лабораторій, які щойно почали обладнувати. Кожен прагнув отримати якнайбільше енергії. Певний час рекорд зберігався за лабораторією в Дубні, що неподалік Москви, де змогли досягнути рівня у 10 ГеВ, потім ЦЕРН у Женеві та Брукгейвен біля Нью-Йорка збудували синхротрони на 30 ГеВ. Ці два апарати забезпечили найплідніші в історії фізики 20 років. Синхротрон — це розвиток циклотрона, де підтримується постійна орбіта частинок, що обертаються. Тоді магнітне поле повинне збільшуватися відповідно до прискорення. Обидва апарати мають обвід у 600 м.