Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Глава 4

Приборы для физики ядра и частиц

1. Для чего они нужны?

Аппаратура, используемая исследованиях ядра и частиц, состоит из детекторов частиц (приборов для их регистрации) и устройств для их создания и ускорения. Но помимо того, разработка таких приборов ведет к созданию энергетических установок (ядерных реакторов), а в будущем, возможно, к термоядерным реакторам и, не исключено, — к новым типам двигателей, новому оружию и т. д.

Простейшим способом регистрации является, конечно, метод фотоэмульсий. Он был в значительной степени инициирован С.Ф. Пауэллом, настаивавшим на разработке более чувствительных фотоматериалов — именно такие фотопластинки позволили ему открыть пионы в космических лучах, прорыв здесь был технологическим, и потому мы его не рассматриваем. Однако метод фотоэмульсий является безальтернативным: на пленке фиксируется все, что через нее проходит, и хотя вам, быть может, интересен всего один случай из многих-многих миллионов, его следы могут затеряться на фоне бесполезных треков.

Еще раньше были придуманы счетчики Гейгера, а затем камера Вильсона. Позже были созданы и другие камеры, которые мы постараемся чуть подробнее рассмотреть.

Сейчас к каждому эксперименту на ускорителях приходится конструировать новые типы детекторов: нередки статьи, в которых тексту в четыре страницы (стандарт для журнала «Фиэикл Ревью Леттерс», самого авторитетного в этой области) предшествует список из трехсот-четырехсот авторов и нескольких десятков научных учреждений из многих стран!

С развитием техники ускорителей, с ростом энергии частиц пришлось переходить на новые типы детекторов, «калориметры». Нужно замерить полную энергию частицы, а она такова, что порождается целый ливень вторичных частиц — их улавливает, например, сверхпроводящий цилиндр, в котором можно измерить повышение температуры на миллиардные доли градуса.

Детекторы должны отбирать интересные для данного исследования случаи (примерно, один на сто миллионов) и только при их появлении включать регистрирующее устройство (сложнее всего переключать магнитные поля). Если раньше, когда исследования шли на низких энергиях, достаточно было, например, поместить над и под камерой Вильсона счетчики Гейгера и включать ее при совпадении (или несовпадении) сигналов от обоих счетчиков, то сейчас устройство и программы детекторов много сложнее, а их электроника должна быть несравнимо более быстродействующей — нас интересуют частицы со все более коротким периодом распада.

Ускорение заряженных частиц происходит в электрическом поле. При этом возможны два типа ускорителей: линейные, в которых частицы все время ускорения движутся по прямой, и круговые, в которых магнитное поле заворачивает их траектории в окружности (или спирали). Оба типа имеют свои преимущества и свои недостатки, но конструирование их, как и детекторов, и регистрирующих устройств, требует такой изобретательности и такого таланта, что нередко увенчивается Нобелевскими премиями. (Мы коротко говорили об ускорителях в главе о теории относительности и потому здесь продолжим рассказ без повторений.)

2. Камера Вильсона

Мы уже писали о двух методах регистрации быстрых частиц: сцинтилляторах и счетчиках Гейгера. Но последующие успехи ядерной физики и затем физики элементарных частиц обусловлены изобретением туманной, или конденсационной, камеры Чарльзом Томсоном Рисом Вильсоном (1869–1959, Нобелевская премия 1927 г.). Вильсон, которого все называли Ч.Т.Р., собирался стать медиком, изучал философию, латынь и греческий, но потом увлекся физикой. Семья очень нуждалась, и он какое-то время работал школьным учителем, но затем все же начал эксперименты в Кавендишской лаборатории, зарабатывая на жизнь как лаборант при студентах-медиках.

Ч.Т.Р. происходил из горной Шотландии и любил бродить по горам. Особое впечатление на него произвели оптические атмосферные явления, кольца вокруг Солнца, видимые сквозь туман. Поэтому он строит камеру, в которой можно имитировать туман и дождь при расширении и охлаждении водяного пара. Много позже он писал: «Почти немедленно я натолкнулся на нечто, представляющее гораздо больший интерес, чем оптические феномены, которые я намеревался изучать». Дело вот в чем: давно было известно, что пары воды начинают конденсироваться на пылинках в атмосфере, но Ч.Т.Р. удалял их всех, очищая воздух многократной конденсацией и испарением, а туман при большой влажности воздуха все равно образовывался.

В поисках источника зародышей пара возникла идея, что ими могут быть ионы воздуха. Тут как раз подоспело открытие рентгеновских лучей, и Вильсон начал ионизовать воздух в камере с помощью примитивной рентгеновской трубки. А так как ему в 1896 г. присудили стипендию Максвелла, он мог уже спокойно, не отвлекаясь на приработки, продолжать работу по изучению атмосферного электричества.

В 1911 г., когда камера была усовершенствована, Вильсон решил использовать ее для регистрации пролетающих атомных частиц: своим зарядом альфа- и бета-частицы должны ведь ионизовать молекулы газа по линии пролета, а водяной пар, конденсирующийся вокруг ионов в капельки, должен образовывать следы, которые можно будет фотографировать. Эти надежды оправдались, и он смог сообщить, что видел впервые «восхитительные облачные следы», сконденсировавшиеся вдоль треков альфа- и бета-частиц, причем треки эти можно было отличить друг от друга с невероятной четкостью: чем быстрее частица, тем меньше она успевает создать ионов на своем пути, поэтому по толщине следа можно оценить скорость и энергию пролетевшей частицы. Фотографии треков произвели глубокое впечатление в научном мире — они послужили первым зримым свидетельством существования этих частиц.

Как писал Дж. Дж. Томсон, прибор, подобный камере Вильсона, «трудно сыскать; она служит примером изобретательности, проницательности, умения работать руками, неизменного терпения и несгибаемой целеустремленности)». Именно на такой камере проводили свои исследования П. М. С. Блэкетт, П. Л. Капица, В. Боте, супруги Жолио-Кюри и многие-многие другие. С ее помощью были открыты позитрон и другие частицы.

В 1924 г. Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892–1986) первым догадался, что если поместить такую камеру в магнитное поле, то по отклонению следа частицы влево или вправо можно определить ее заряд. Работы у него шли весьма успешно: электроны из космических лучей отклонялись, как частицы с отрицательным зарядом, в одну сторону, а положительные протоны и альфа-частицы — в другую.

Но вдруг в 1929 г. он получает снимки, на которых явно запечатлен след электрона, но отклоняется он в противоположную сторону. Скобельцын решил, что это электроны, но они влетели в камеру не с той стороны, т. е. не сверху, как все нормальные космические частицы, а снизу, прошли, понимаете ли, всю Землю насквозь. Он не знал, по-видимому, созданной к тому времени, но еще, правда, не общепринятой и не совсем понятой теории Дирака, по которой каждой частице должна сопутствовать античастица с такой же массой, но с противоположным зарядом. Позитрон был открыт только через три года на точно таком же снимке…

3. Пузырьковая камера

Многочисленные усовершенствования камеры Вильсона сделали ее основным рабочим инструментом ядерной физики и зарождавшейся физики элементарных частиц, однако она не лишена недостатков. Главнейшие из них такие: во-первых, чем быстрее частица, т. е. чем выше ее энергия, тем меньше ионов она успевает создать на своем пути — поэтому для частиц высоких энергий нужно увеличивать размеры камеры, что технически очень сложно, а то и невозможно. Во-вторых, после каждого снимка нужно заново ожижать пар в ней и снова его испарять, а это требует немало времени. Следовательно, нужен поиск новых способов регистрации частиц.

Новый тип камер, пузырьковых, был изобретен и осуществлен Дональдом А. Глэзером (р. 1926, Нобелевская премия 1960 г.), учеником и сотрудником Карла Андерсона.

Талантливый музыкант, Глэзер думал о карьере скрипача и даже в возрасте шестнадцати лет выступал с Кливлендским симфоническим оркестром, но затем победила физика, и после университета его увлекли космические лучи. Работа с камерой Вильсона, длительные простои при ее очищении и наладке, сложности исследования при больших энергиях частиц — все это возвращало его к мыслям о новых приборах.

Рассказывают, что основная идея новой камеры зародилась тогда, когда Глэзер сидел в кафе и меланхолически попивал из кружки пиво. По восточноевропейской привычке (его семья родом из России), он сыпал понемножку соль в пиво и вдруг заметил, что от каждой крупинки в кружке поднимается след из пузырьков. Но ведь то же самое произойдет, если через доведенную почти до кипения жидкость пропустить заряженную частицу: она образует ионы, а на них возникнут пузырьки пара. Вот и быстродействующая замена камере Вильсона!