Глава 7 Нашествие частиц
Глава 7
Нашествие частиц
Первые вестники
В том же 1947 году, когда Пауэлл и Оккиалини открыли пи-мезон, фотографии космических лучей принесли след еще одной частицы. Английским физикам Стюарту Батлеру и Джорджу Рочестеру, прежде чем они натолкнулись на необычный след, пришлось просмотреть несколько тысяч снимков.
Адова работа! Но как приятно, если она прошла не впустую. Если в хаосе переплетающихся следов, оставленных знакомыми частицами, вдруг отыщется доселе не виданный. Ведь это почти наверняка новая частица!
В самом деле, след необычный. Прежде всего, след самой частицы… отсутствует! Вот как? Каким же образом Батлер и Рочестер додумались до частицы, не оставившей следа?
А вот каким. На фотографии была обнаружена «вилка»: два следа, разбегающиеся из одной точки. Что же насторожило в ней физиков? Подобные «картинки» ученые, казалось бы, видели уже не раз. Налетела альфа-частица на ядро, выбила из него протон, сбила с места само ядро — вот и вилка. Это ее и обнаружил Резерфорд в 1919 году. Образовал энергичный фотон пару из зеркальных братьев, электрона и позитрона, — снова вилка.
Но то, что обнаружили Батлер и Рочестер, не походило на уже знакомое. Во-первых, не было никаких признаков следа до вилки: значат, заряженная частица в ее образовании не участвовала. Во-вторых, оба следа вилки были довольно жирными и притом не сильно закрученными. Значит, это были следы не электронов.
Спустя некоторое время, когда физики уже хорошо присмотрелись к следам пи-мезонов, не осталось сомнений в том, что оба зуба вилки принадлежат пи-мезонам.
Может быть, какая-то нейтральная космическая частица влетела в ядро и разрушила его? Нет — тогда бы возникла характерная звезда на снимке. Может быть, пи-мезоны пришли откуда-то снизу и, встретившись, слились? Опять же нет: если б это было так, то в местах их рождения должны были бы случиться одновременно и другие видимые события. Может быть, пи-мезоны могли образоваться в стенках камеры? И это невозможно здесь: следы их начинаются и кончаются в газе, вдали от стенок.
Так один за другим отбрасываются все невероятные варианты. Пока, наконец, не остается один, единственно возможный. Сверху в камеру проникла нейтральная частица. В камере она распалась на два противоположно заряженных пи-мезона: пи-плюс и пи-минус. Это событие произошло в точке, откуда начинаются зубья вилки.
Новую частицу, вероятно из-за сходства созданной ею вилки с латинской буквой V, Батлер и Рочестер нарекают V0-частицей. Нулик показывает, что частица нейтральна, не имеет электрического заряда.
Пришедшая сверху нейтральная V0-частица распалась на две заряженные — пи-плюс и пи-минус-мезоны. След одного из них внизу сломался: пи-мезон распался на мю-мезон. V0-частица газа не ионизировала, а потому не оставила следа в камере.
Проходит немного времени, и вилки появляются на фотографиях других исследователей космических лучей. Великое разнообразие вилок: острых, тупых, двузубых, трезубых!
Не проходило и месяца, как в научных журналах появлялось сообщение об обнаружении новой частицы. Положительные, отрицательные, нейтральные, легче протона, тяжелее протона.
Настоящий шквал открытий! У физиков кружились головы.
Скудный космический заповедник, в котором за предшествующие сорок лет были пойманы лишь позитрон да пи- и мю-мезоны, вдруг превратился в сказочный рог изобилия.
«Помилуйте! Не может такого быть!» — возопили теоретики.
Их призыв не остался без ответа. Экспериментаторы снова засели за свои снимки, снова тщательно проверили свои расчеты.
Вот «старый» снимок Батлера и Рочестера. Два пи-мезона. Можно прикинуть их энергию. Получается, по закону сохранения энергии, что родившая их частица должна быть примерно в тысячу раз массивнее электрона.
А вот другая двузубая вилка. Один след жирный и короткий, другой менее толстый, но зато более длинный.
Длинный след принадлежит протону. Он быстро растратил свою энергию и остановился в газе. После чего, естественно, перестал подавать признаки жизни.
Короткий след интереснее. Он тоже обрывается в газе, но с тем, чтобы дать начало новому следу. Этот последний тоже недолговечен. Пробежав коротенький путь, он в свою очередь ломается. А дальше уже бежит пунктирный заячий след электрона.
Целый каскад следов! Он уже знаком физикам: именно так распадается заряженный пи-мезон. Короткий след, без сомнения, принадлежит ему.
Итак, нейтральная частица распалась на пару из положительного протона и отрицательного пи-мезона. Общая сумма образовавшихся частиц явно больше массы протона. А если к ней добавить еще и часть массы, которая пошла на энергию частиц, то масса родителя оказывается близкой к 2200 электронным.
Физики в самом деле ошарашены. Они и думать не могли, что существуют такие сверхтяжелые частицы!
Новую частицу тоже было пытаются окрестить V-частицей. Но эта буква уже занята. К тому же другие физики полагают, что вилка (она может быть и зубьями вниз) больше похожа на греческую букву ? — ламбда.
Это обозначение в конце концов побеждает. Видимо, потому, что после открытия пи- и мю-мезонов (? и ? — тоже греческие буквы) греческий алфавит вошел в моду у охотников за частицами.
И вот, наконец, подведен первый итог. Действительно, многие частицы пришлось «закрыть» — еще быстрее, чем они были открыты. И все же, когда схлынули «миражные» частицы, в сетях физиков оказался богатый улов. Целых семь новых частиц!
Положение переменилось. Раньше теоретики предсказывали какую-либо новую частицу на кончике пера, а экспериментаторы потом годами искали ее. Теперь столы теоретиков ломились от свежей дичи. А теоретики, честное слово, не знали, что с ней делать!
Фотография совместного рождения ка-нуль-мезона и ламбда-нуль-гиперона. Отрицательный пи-мезон, столкнувшись с протоном в точке A, родил две нейтральные частицы. Одна из них в точке B распалась на два пи-мезона — положительный (след вверх) и отрицательный (след влево). Отсюда и заключили, что в точку B полетел ка-мезон. Другая частица в точке C распалась на протон и пи-минус-мезон (след последнего искривился в магнитном поле). Эта частица и есть ламбда-гиперон. О попытках объяснить тот факт, что обе V-частицы всегда рождаются вместе, вы можете прочитать в главе 9.
Группа мезонов пополнилась «лихой» тройкой ка-мезонов: положительного (?+), отрицательного (?–) и нейтрального (?0). Мы не ради красного словца так окрестили эту тройку. С ней физикам в ближайшие годы предстояло хлебнуть немало лиха. Кстати, ?0-мезон — это та самая V0-частица, которую открыли Батлер и Рочестер.
К частицам тяжелее протона (их назвали гиперонами), кроме ламбды, добавились еще две сигмы (?+ и ?–) и, наконец, кси-минус (?–).
Терпению приходит конец
Да, такой богатый улов не мог не порадовать экспериментаторов. Но — семь частиц на сотни тысяч просмотренных снимков! Это все равно, что миллиграмм радия на тысячи тонн переработанной руды. В конце концов открытие искусственной радиоактивности избавило человечество от каторжного труда по добыче радия.
Может быть, теперь ученые найдут способ извлекать новые частицы каким-то другим путем, — не выуживая их поодиночке из многих миллионов космических частиц? «Земные» физики сочувственно отнеслись к горячей просьбе физиков «космических».
Мы уже познакомились с первыми плодами этого сочувствия — ускорителями заряженных частиц. Генератор Ван-де-Граафа, генератор Кокрофта и Уолтона…
Но эти машины все же не решали проблему, вставшую перед физиками пятидесятых годов. Они разгоняли частицы-снаряды до миллиона, много — до десятка миллионов электрон-вольт. Что же, из ядер вылетали нейтроны, иногда протоны — и ничего больше. Ядра словно откалывались с краев, летели осколки-кирпичики. Но в целом ядерные здания оставались неповрежденными.
Да, нужны были более высокие энергии. В сотни раз более высокие! В этом физиков убеждали довольно простые соображения. Вспомним, как рождаются фотоны. Для этого электронам в атоме тем или иным способом сообщалась энергия, они прыгали на удаленные от ядра орбиты. И, возвращаясь назад, рождали фотоны. Именно фотоны, а не что-нибудь другое: электроны с атомными ядрами связывает электромагнитное поле. И кванты энергии этого поля есть фотоны.
Отныне предстояло такую же операцию провести на ядре. Но извлечь из него нужно было уже не фотоны, а «кванты», отвечающие ядерному полю, — пи-мезоны. Виртуальные мячи для ядерного волейбола должны были стать реально существующими в свободном виде. Тренер, чтобы отобрать мячи у заигравшихся команд и вынести их за пределы площадки, должен был бы, однако, обладать недюжинной силой.
Достаточно вспомнить спор поклонника теории Дирака и ее противника, который мы привели в главе о позитроне. Чтобы виртуальный позитрон стал совершенно реальным и наблюдаемым с помощью приборов, потребовалась энергия, более чем вдвое превышающая его энергию покоя, — около миллиона электрон-вольт.
Сколько же потребуется теперь для пи-мезонов? А во сколько раз пи-мезон массивнее позитрона? В 274 раза? Значит, во столько же раз больше и энергия. Ого, почти триста миллионов электрон-вольт.
«Это для нас столь же недосягаемо, как полет на Луну, — сказали бы физики довоенного времени. — Нечего и надеяться достичь таких энергий в ближайшие десятилетия!»
Жизнь, как водится, опрокинула эти и многие другие, даже менее осторожные прогнозы. Получение колоссальных энергий оказалось делом не многих десятилетий, а всего лишь нескольких лет.
Благодаря, если так можно выразиться, денежной идее.
Можно напечатать денег столько, что их хватит для расчетов на десять лет вперед. А деньги, уплаченные за товар, погашать и выбрасывать. Можно поступить и экономнее: напечатать денег во много раз меньше, но уплаченные за товар деньги не выбрасывать, а снова пускать в оборот. Понятно, чем быстрее они оборачиваются и приходят обратно, тем меньше денежных знаков надо печатать.
Этот остроумный принцип и привлек физиков. В самом деле, генератор Ван-де-Граафа, например, выпускает «деньги» самым неэкономным способом: он всю энергию сразу целиком отдает частице. Ему приходится сразу печатать уйму «денег» — иными словами, получать очень высокое напряжение, которое он все израсходует за один раз.
Почему бы не поступить экономнее: вместо того чтобы один раз разогнать частицу огромным напряжением, разгонять ее много раз небольшими «кусочками» этого напряжения? Идея «денежного обращения» оказалась необычайно плодотворной. Сегодня ее используют почти во всех ускорителях заряженных частиц.
От пушки к праще
В 1938 году швейцарский физик Видероэ построил по этому принципу первый в мире линейный ускоритель. Он отличался от ускорителя Ван-де-Граафа не только сравнительно небольшим напряжением. Труба, в которой Видероэ ускорял частицы, была в десятки раз длиннее, чем у его предшественника.
Оно и понятно. Чтобы приложить напряжение «зараз», особо длинной трубы не требуется. Достаточно лишь, чтобы между электродами, на которые подано высокое напряжение, было такое расстояние, чтобы не происходило пробоя. Для миллиона вольт требовалось несколько метров.
Видероэ разместил вдоль трубы много электродов. Пролетела частица, например протон, через пару электродов, — словно получила шлепок по спине. Шлепок по сравнению с ван-де-граафовым просто нежный. Но таких шлепков он испытает не один, а много.
И с каждым шлепком наращивает протон свою скорость, все быстрее проносится мимо очередной пары электродов. И чем дальше, тем более длинной приходится делать такую пару, чтобы она успела за время пролета мимо нее как следует шлепнуть протон.
Линейный ускоритель. В длинной трубе установлены электроды, дающие «шлепки» частице, когда та пролетает мимо них. Сегодня частицы на таких ускорителях набирают солидную энергию до 2 миллиардов электрон-вольт.
И машина заработала. Ее потомков ожидало большое будущее, но совсем не то, на которое рассчитывали физики. В 1938 году уже победил другой принцип постройки ускорительных машин. Потребовалось экономить не только на напряжении, но и на размерах машины. Ускоритель Видероэ, если его рассчитать на энергию в миллиард электрон-вольт, должен был бы иметь совершенно гладкую и прямую трубу длиною чуть ли не в километр!
Новый принцип ускорителя можно назвать одним словом: праща. Да, частицы, двигаясь по кругу, наращивают свою скорость так же, как камень в праще.
Гигантские пращи обошли всю мировую печать, под названием синхроциклотронов и синхрофазотронов. Но, с удивленным уважением разглядывая их фотографии, мы обычно не задумываемся над тем, что они действуют по тому же принципу, который открыл наш гениальный первобытный предок.
Не знаю, развлекался ли американец Эрнст Лоуренс когда-нибудь на «колесе смеха». Но путь частицы в придуманном им циклотроне удивительно напоминает путь человека, задумавшего удержаться на этом колесе. Человек чуть ли не инстинктивно становится в центр колеса. Колесо начинает вращаться. И через минуту, описав обыкновенную спираль, наш герой слетает на пол.
Да, прикладывать напряжение по «кусочкам» можно не только на прямой беговой дорожке, но и на дорожке стадиона. Для этого нужно лишь завернуть бегуна.
Наш бегун — заряженная частица. И вы уже догадываетесь — нам это встречалось не раз, — что завернуть частицу можно магнитным полем.
Так оно и есть. Беговую дорожку для частиц Лоуренс поместил между полюсами сильного магнита. Размеры установки сжались. Вместо десятков электродов, как это будет у Видероэ, Лоуренс ограничивается двумя.
У Видероэ именно «будет»: первый циклотрон Лоуренса заработал еще в 1934 году.
Циклотрон. Электроны впускаются в циклотрон между дуантами, а затем, разгоняясь в электрическом поле, описывают по мере нарастания их энергии раскручивающуюся спираль. На последнем ее витке они либо выводятся из ускорителя, либо падают на мишень, установленную внутри ускорительной камеры. Подобным же образом разгоняются протоны и ионы в современных циклотронах. Они служат для изучения ядерных реакций и для искусственного получения ядер трансурановых элементов.
Вот на рисунке вы видите две полые коробки. Называются они дуантами, а выполняют роль электродов. Питает их переменное напряжение. Частота его подобрана так, что частица — например, тот же протон — получает шлепок именно в тот момент, когда она переходит из одного дуанта в другой.
Но протон ведь движется все быстрее и быстрее! Значит, шлепки не будут поспевать за ним? Опасения излишни: протон раскручивается по спирали, как наш весельчак на «колесе смеха». Выше скорость — шире виток спирали, больше пройденный путь — и то же время оборота.
Засеките время, когда мимо вас на колесе промчится человек, и отмечайте это время каждый раз. Вы увидите, что, как бы он ни старался, он будет делать полный оборот за одно и то же время. Только скорость вращения пассажира зависит от скорости колеса, а скорость вращения электрона — от частоты переменного напряжения.
И, наконец, частица вылетает вон из циклотрона, подобно камню из пращи. Что ж, скорость ее довольно велика: протон в циклотроне может набрать энергию до 25 миллионов электрон-вольт. При столь энергичной бомбардировке ядерные реакции идут уже полным ходом. Из ядер летят целые тучи частиц, — и среди них нет ни одной искомой. 25 и 300 миллионов электрон-вольт — слишком далеки они друг от друга!
Но почему только 25 миллионов электрон-вольт? Почему не разгонять те же протоны еще и еще, пока они не наберут желанной энергии? Спираль слишком раскручивается? Усильте магнитное поле, и она сожмется, или же увеличьте диаметр циклотрона. Цель ведь оправдывает средства.
Это верно. Цель оправдывает любые средства. Ради знания глубочайших тайн мироздания сегодня строятся десятки могучих машин, — а каждая такая машина стоит колоссальных денег. «Дороговаты нынче электрон-вольты!» — как-то шутливо заметил один физик, и в этой шутке большая доля правды.
Причина того, что циклотрон не дает частицы с желанной энергией, вовсе не в деньгах, а в… самих частицах. Они — существа упрямые. Первым подметил их упрямство — еще задолго до появления первого ускорителя — Альберт Эйнштейн.
Праща совершенствуется
Дело в том, что частицы, по мере того как их скорость приближается к скорости света, все сильнее сопротивляются дальнейшему ускорению. Проявляют это они единственным доступным им способом: увеличивают свою массу. Это необычайное поведение и предсказала теория относительности.
И это же поведение вызывает самые плачевные последствия в циклотроне. Электрическое поле в нем приготовилось в очередной раз шлепнуть частицу, а та «отяжелела», разленилась и не поспела к шлепку в назначенное время. Шлепок пришелся по пустому месту.
И это даже полбеды. После шлепка поле повернулось в обратную сторону. Если теперь частица подойдет к промежутку между дуантами, поле, вместо того чтобы ускорить, напротив, замедлит ее!
Великая вещь — действовать «в такт»! Попробуй-ка раскачай качели, то толкая их, то задерживая. Седоки вряд ли будут довольны.
Но закон есть закон. Обойти его нельзя. Примириться тоже не хочется. В стене перед заветной областью больших энергий стоит поискать лазейку.
И в 1944 году эту лазейку, почти одновременно и совершенно независимо друг от друга, находят советский физик Владимир Иосифович Векслер и американский ученый Эдвин Мак-Миллан. Лазейка называется по-научному «принцип автофазировки».
…Есть такой красивый цирковой номер. На афишах он обычно набирается аршинными буквами: «Дрессированные лошади! Труппа под руководством заслуженного артиста такого-то… Смотрите! Спешите!»
Под звуки бравурного марша на манеж вылетает десяток белых лошадей, за ними, кувыркаясь, выбегают лихие джигиты. И, наконец, не спеша появляется в красивом камзоле дрессировщик с хлыстиком. Лошади бегут по кольцу все быстрее и быстрее, джигиты на полном ходу то вскакивают на спины лошадей, то виснут под брюхом, то снова спрыгивают на землю — быстро, легко, красиво. Одним словом, цирк. А лошади, как ни в чем не бывало, бегут плотным строем.
Вот такой «цирк» и решил устроить Векслер с протонами в циклотроне. Протон, отяжелевший от огромной скорости, подобен лошади, на спину которой вскочил наездник. Быстрее, быстрее летит лошадь — второй, третий наездник влезают на нее, затем на плечи друг другу, — по кругу несется уже целая живая пирамида. А дрессировщик, чтобы лошадь не замедляла своего движения, все чаще подгоняет ее взмахами хлыста.
Электрическое поле — со все возрастающей частотой!
Именно эта мысль пришла в голову Векслеру. Чем больше тяжелеет частица, тем чаще толкает ее поле.
Стоп… Но ведь поле «не знает», насколько отяжелела частица. Частицы не все ведь движутся с одинаковой скоростью. Как же поле умудряется шлепать частицы «в такт»?
Тут-то и начинается самое интересное. В группе частиц, конечно, всегда найдется такая группка, которой «такт» электрического поля вполне подойдет. Но число частиц в этой группе столь невелико, что ради нее не стоило огород городить. А как же остальные частицы?
И тут выясняется, что бегущие частицы не уступают в «слаженности» цирковым лошадям! Забежала одна лошадь вперед или отстала — она тут же замедляет или убыстряет свое движение так, чтобы сохранился плотный строй.
Разумеется, частицы далеко не так дрессированы, как цирковые лошади. Частиц на ходу подправляет само переменное электрическое поле. Забежала частица вперед, набрав большую энергию, значит, на следующем обороте она получит «неполный» шлепок и замедлится. Отстала частица — будет получать шлепки посильнее, пока не попадет «в фазу». Частицы словно сами подгоняют себя в фазу с электрическим полем, — оттого и явление было названо «автофазировкой».
Растущая при ускорении масса частиц перестает быть помехой. С нею вполне справляется поле с переменной частотой. Для этого необходимо лишь менять частоту поля синхронно с увеличением энергии и массы частиц. Как это делается, мы не будем рассказывать. Окончательная частота поля определяется только той энергией, которую вы пожелаете сообщить частицам.
От идеи до конструкции
Удивительно простая и красивая идея! Физики не замедлили ухватиться за нее.
Прошло всего лишь пять лет, и в небольшом подмосковном городке Дубне заработал первый в СССР циклотрон, воплотивший идею Векслера. Физики, желая подчеркнуть, что циклотрон не простой, а особенный, меняющий частоту поля синхронно с набором частицами энергии, окрестили его синхроциклотроном.
Здание синхроциклотрона в Дубне было построено в молодом сосновом лесу. Вокруг него все время ходит ветер. «Разгоняет воздух, чтоб чище работать было», — шутят физики. Здание до половины обложено земляной насыпью. Из-под нее выглядывают толстые бетонные брикеты.
По высокой лестнице поднимаемся на второй этаж. Отодвигается массивная дверь, и мы попадаем в главный зал.
Первое впечатление — как в машинном отделении большого корабля. Кажется, вот-вот донесется с мостика капитанская команда и заработают машины, сотрясая стальной пол. Но сегодня на мостике, находящемся на высоте трехэтажного дома, пусто. Лишь несколько техников работают у огромных насосов, соединенных с тонкой стальной коробкой.
Это — ускорительная камера, втиснутая между полюсами исполинского семитысячетонного магнита. Тут же сбоку пристроился генератор переменного электрического поля.
Теперь можно перейти на другую сторону машины. На коробке видна длинная продольная красная черта, словно шов, только что наложенный хирургом. Операция будто еще не кончена, хирург еще не извлек зондов из раны. Вот они, зонды, — блестящие металлические штанги, уходящие в тело ускорителя.
Красная черта — это тонкая латунная оболочка для вывода из камеры вторичных излучений. А образуются они на самом кончике «зонда», где укреплена мишень.
Пучок протонов, разогнанный до энергии 680 миллионов электрон-вольт, ударяется о мишень — пучки пи-мезонов и других частиц — нейтронов и мю-мезонов — вылетают через тонкое окошко, проносятся через главный зал и сквозь прорубленные в его толстенной стене бойницы проникают в соседний зал, где эти частицы попадают в приборы. Здесь и ведется охота за ними.
Синхроциклотрон в Дубне для разгона протонов до энергии 680 миллионов электрон-вольт. Видна узенькая ускорительная камера, зажатая между полюсами гигантского магнита. Справа в камеру введен «зонд» — металлическая штанга с установленной на конце ее мишенью. Пучок протонов, циркулирующих в ускорителе, также можно вывести наружу и направить на мишень, находящуюся вне ускорительной камеры.
Зачем же все эти массивные двери, стены многометровой толщины, как в средневековой крепости? Тоже для защиты людей — здесь от ядерных снарядов. К космическим лучам мы уже «привыкли»: тысячи частиц ежеминутно пронизывают наше тело, не нанося ему заметного вреда. Но синхроциклотрон ежесекундно образует многие миллиарды «космических» частиц. От них нужна уже серьезная защита. И не только людей, но и установок: иначе все посторонние частицы могут существенно «загрязнить» опыт.
Вот почему и оставлены в толстенных стенах лишь узенькие бойницы для впуска частиц. Вот почему, когда работает ускоритель, людей нет не только в главном, но и в соседних залах. Показания всех приборов передаются на довольно большое расстояние, где в больших и светлых комнатах работают ученые.
Гиганты атомного века
Сильное впечатление оставляет махина синхроциклотрона! Но оно меркнет, когда вы попадаете в главный зал синхрофазотрона. Колоссальная «гофрированная» баранка уже ни в малейшей степени не напоминает своего далекого предка — пращу.
Диаметр баранки шестьдесят метров, вес магнита — 36 000 тонн, вакуум в ускорительной камере очень высокий — давление там в миллиард раз меньше атмосферного, огромная точность сборки секций магнита на всей двухсотметровой длине ускорительной дорожки. Эти цифры убедительно свидетельствуют об уровне техники двадцатого века!
Но даже не они восхищают физика. Десять миллиардов электрон-вольт, вот в чем ключ к той двери, за которой открывается чудесная область новых поразительных открытий. Восемь лет отделяют практический пуск синхрофазотрона от пуска его предшественника — синхроциклотрона в Дубне.
А почему сразу нельзя было сделать машину на десять миллиардов электрон-вольт и даже еще в тысячу раз большую энергию?
Казалось бы, автофазировка не ставит пределов разгону частиц.
Однако не в одной автофазировке дело. Когда голую идею начинают одевать в листы точных расчетов и чертежи реальных конструкций, ее мощь, кажущаяся поначалу такой безграничной, принимает гораздо более скромные размеры.
Попробуйте представить себе знаменитую скульптуру Давида, изваянную гениальным Микеланджело (ее копия есть у нас в Москве, в Музее изобразительных искусств), попробуйте представить себе Давида, одетого в современный пиджак и «стильные» брюки. Что останется от его мощи! «От всей мощи остались одни мощи» — как остроумно заметил один физик, присутствуя при очередном разгроме соблазнительной на вид идеи.
Идее Векслера, конечно, такая участь никоим образом не угрожала. Но ее практическому осуществлению все же имелся предел. Если бы синхроциклотрон спроектировать на те же 10 миллиардов электрон-вольт, то его магнит весил бы ни много ни мало… 20 миллионов тонн! Понятно, что физиков удержало от постройки такой машины столь «весомое» соображение!
Да, беда в том, что вес магнита растет, как куб энергии, до которой разгоняются частицы в этой машине. Слишком быстро растет!
Значит, надо менять конструкцию машины. Магнит столь тяжел потому, что частицы надо ускорять, как говорится, от нуля.
В начале ускорения частицы имеют ничтожные скорости. Затем они раскручиваются по спирали. Диаметр витков все более растет. И на каждом витке за ними должен следить магнит, предупреждая растущее их желание сорваться с магнитной цепи и врезаться в стенки камеры. Оттого-то магнит и должен охватывать всю камеру.
Раскручивающиеся… Это наводит на интересную мысль. Момент, пока лошади выбегают на манеж цирка, для нас ведь не главный. Другое дело, когда они, выстроившись, бегут по кольцу, огибая барьер манежа — вот когда мы глядим в оба.
По кольцу, по кольцу…
Почему бы не заставить и частицы в ускорителе бежать по кольцу? Ускорять их не от нуля, а от уже солидной энергии? Приготовить энергичные частицы в каком-нибудь другом, не таком мощном ускорителе, а затем «впрыснуть» в основной? И магнит можно будет взять куда легче, и поле его можно будет сделать побольше!
Так родилась идея синхрофазотрона. А вещественным ее воплощением стали дубненская и ряд других аналогичных машин.
В дубненском агрегате ускорение протонов происходит в три этапа.
Протоны, получаемые, как обычно, при разложении водорода, выходят в трубку, между электродами которой приложено напряжение 600 тысяч вольт. Затем они поступают в линейный ускоритель (того типа, который когда-то сделал Видероэ), где набирают энергию в девять миллионов электрон-вольт.
И только после этого впрыскиваются в камеру синхрофазотрона.
Магнитное поле в этой машине уже не постоянно, а меняется в такт с электрическим полем. Поэтому момент и направление впуска протонов в камеру приходится выдерживать с огромной точностью — куда точнее, чем даже момент и направление запуска космической ракеты.
Синхрофазотрон в Дубне для разгона протонов до энергии 10 миллиардов электрон-вольт. Видны отдельные блоки — секции мощного электромагнита. Внутри них запрятано кольцо ускорительной камеры. Трубы внизу соединяют камеру с насосами для выкачивания из нее воздуха.
Сотые доли секунды, десятые доли градуса — нам это казалось верхом точности. А в синхрофазотроне речь идет о миллионных долях секунды и чуть ли не тысячных долях градуса! Малейшая ошибка — и пучок протонов, вместо того чтобы ускоряться, врежется в стенки камеры.
Изволь после этого очищать камеру, готовить новую порцию протонов.
Поэтому все операции на ускорителе делает автоматика. Она не придет на работу, не выспавшись, у нее не дрожат руки, не застилает от напряжения глаза. Но за нею тоже нужен глаз да глаз. Поэтому на ускорителе — как на большом заводе: на десяток «руководящих» физиков приходятся сотни инженеров и техников.
С каждым годом «промышленность космических энергий» — иначе не назовешь! — пополняется новыми машинами.
Уже в Америке и Швейцарии работают синхрофазотроны, разгоняющие протоны до тридцати миллиардов электрон-вольт. У нас под Серпуховом скоро вступит в строй машина на семьдесят миллиардов электрон-вольт.
На пороге фантастики
Поистине космические энергии! Но физиков они уже не удовлетворяют. Почему — об этом будет еще разговор.
В чем же дело? Стройте себе на здоровье еще более «энергичные» машины!
Увы! Даже идея синхрофазотрона подходит к пределу практической осуществимости. Снова растут вес магнита и диаметр кольцевой дорожки. Вы восхищаетесь цифрами — 200 метров, 36 000 тонн. А думаете — это хорошо, это экономно?
…Один английский писатель удивительно точно описал ощущения своего героя, разглядывающего великие египетские пирамиды. Очень точно — и всего лишь двумя словами: «высокомерное восхищение».
Сорок веков смотрели на путешественника с высоты этих пирамид. И он смотрел на пирамиды с высоты сорока веков человеческого знания.
Он восхищался подвигом безвестных строителей пирамид. Голыми руками, пользуясь лишь самыми примитивными приспособлениями, они смогли с замечательной точностью взгромоздить колоссальные каменные глыбы друг на друга в идеальную геометрическую фигуру.
Он с высокомерной улыбкой думал, что сегодня подобный памятник человеческому могуществу удалось бы возвести в тысячекрат легче. И еще он думал о том, что с каждым веком такие памятники становятся все меньше, что ценность творений человека измеряется уже более не их внешней величиной, а заложенными в них великими возможностями.
Это воспоминание пришло мне на ум возле синхрофазотрона. Я на минуту становлюсь фантастом… И вот уже сорок веков спустя мой далекий потомок с «высокомерным восхищением» разглядывает «Колизей двадцатого века» — давно забытый синхрофазотрон.
Его поражает, как люди, лишь за век до этого открывшие электричество, научились с его помощью разгонять в считанные секунды до космических энергий частицы, которые были открыты еще спустя полвека. Он восхищен точнейшей формой ускорителя — плодом долгих расчетов ученых и виртуозного мастерства инженеров и строителей.
И «высокомерная» улыбка трогает его губы. Такая гигантская машина — и такой скромный результат!
Нет, он отдает должное ее создателям: в двадцатом веке люди уже умели достигать такой концентрации энергии в крошечных объемах пространства, которая оставляла позади достижения самой природы в космосе. Они уже приближались к «звездной» концентрации энергии! И все-таки, с высоты сорока веков, получаемые людьми двадцатого века электрические и магнитные поля кажутся ему скромными.
У пришельца в руке поблескивает крошечный прибор. Этот прибор ускоряет уже не отдельные сгустки частиц, а такие «сверхсгустки», как целых людей. В своем маленьком корпусе он сосредоточивает энергию, о которой сорок веков назад вообще не могли и мечтать. С помощью этого прибора мой далекий потомок может разогнаться до околосветовой скорости и в считанные часы достичь удаленных галактик.
…«Машина времени» останавливается. Видение исчезает. Я снова стою в главном зале синхрофазотрона…
Через несколько часов я уезжал из Дубны. Передо мной вновь мелькнуло и скрылось за частоколом сосен круглое приземистое здание величайшего «цирка» нашего века. Я думал о том, что покорение атомного мира человеком идет по неизбежному пути все большей концентрации энергии в небольших объемах.
Я думал о том, что машины, как и идеи, в наш век быстро стареют, а на смену им приходят новые замечательные машины и идеи. И я понял, что улыбка моего далекого потомка не будет высокомерной. Машины могут стареть, но никогда не устареет восхищение потомков непрестанным, трудным и вдохновенным восхождением предков!
На баррикадах
Все измерительные залы при крупнейших ускорителях мира похожи друг на друга, как, в общем, схожи и сами ускорители. Они появились на свет в глухую пору холодной войны, когда даже такие сугубо мирные вещи, как изучение частиц сверхбольших энергий, были скрыты за завесой секретности. В глазах людей, не очень искушенных в науке, физики, только что создавшие атомные и водородные бомбы, были окружены ореолом грозного величия. До войны изучение нейтронов тоже казалось предельно мирным занятием, а что из этого получилось!
Одними из первых бреши в стене надоевшей всем холодной войны пробили физики. Западные ученые стали бывать в Дубне, наши физики отправились за океан, в США, где в пятидесятые годы были построены такие же крупные ускорители. И что же? Оказалось, что всюду одинаковы и люди и ученые. И творческая мысль ученых шла по схожим путям.
Первое впечатление, когда попадаешь в измерительный зал, — как на баррикаде. После строгой и чинной чистоты главного зала ускорителя — теснота от огромных приборов, хаос проводов. В стене, на полу, на приборах — тяжелые брикеты бетона и свинца. Они-то и усиливают сходство с баррикадой, напоминая то ли булыжники, то ли мешки с песком. В защитной стене зала, обращенной к ускорителю, проделаны узкие бойницы. В бойницы уставились внимательные глаза счетчиков.
Проходит полчаса, и впечатление хаоса исчезает. Перестаешь пугаться сдвинутых плит в полу, под которыми открывается бездонный, скучный и безлюдный, словно преисподняя, подвал. Сами собой ноги перестают спотыкаться в путанице толстых и тонких проводов. И тогда становится понятным, что эта теснота — та самая теснота конвейера большого завода, где люди делают общее дело, не мешая при этом друг другу.
Мы уже рассказывали о том, что частицы выводятся из камеры ускорителя на небольшом ее участке. Включено поле — и спустя секунду мощный сгусток протонов обрушивается на мишень в камере. Тогда через тонкую латунную ее оболочку наружу вырываются миллиарды частиц и фотонов. Широким веером они разбрызгиваются по стенам зала — все эти нейтроны, мезоны, гипероны, гамма-кванты.
Но еще в главном зале на пути от ускорителя к бойницам можно было увидеть длинные блестящие трубы, четырехугольные каналы, словно обложенные подушками. Эти трубы и подушки — последние имеют название магнитных линз — служат одной цели. Они формируют пучки вторичных частиц для ввода их в соседний зал.
Первой в этом зале начинается сортировка. По пути пучка частиц располагается мощная неуклюжая туша электромагнита. Собранные в пучок частицы после прохождения через магнит снова распускаются веером.
Пучок неоднороден. В нем летят не только разные частицы, а и одинаковые частицы, но с разными скоростями. Прежде чем они попадут в прибор, физики должны отделить их друг от друга. Это делает магнит. Положительные и отрицательные частицы он сбивает в разные стороны от направления полета. Нейтральные же частицы и фотоны продолжают лететь в прежнем направлении. Но это еще не все. Тяжелые и быстрые частицы с большим количеством движения, или импульсом, боковой ветер магнита сбивает с пути слабее, чем медленные и легкие. Внешне это чем-то напоминает разложение белого света в цветную полосу спектра при пропускании его через стеклянную призму.
Такой спектр частиц каждого знака заряда и дает магнит.
Спектр импульсов, как говорят физики.
Теперь нужна вторая сортировка. Импульс, как известно, есть произведение массы частицы на ее скорость. Эту величину можно составить по-разному. Например, грубо говоря, одним и тем же импульсом будут обладать как протон, так и положительный пи-мезон, летящий в семь раз быстрее протона, и положительный ка-мезон, движущийся вдвое быстрее того же протона. И все они по выходе из магнита полетят в одном направлении.
Понятно, что магнит уже исчерпал свои возможности. Разные частицы, но с одинаковым импульсом, он рассортировать уже не может.
Вот на металлической штанге сидят две или три коробки. Это счетчики. А комбинация их называется уже знакомым вам словом — телескоп. Он просто выделяет частицы, летящие в данном направлении, из довольно-таки густого потока прочих частиц. Мы вспоминаем, что частица засчитывается, если практически мгновенно прошла через все счетчики телескопа.
Но теперь счет времени начинает вестись именно на эти мгновения. Путь между счетчиками известен. Скорость — из примерного знания энергии и импульса частиц — тоже. А затем по простенькой формуле подсчитывается и время пролета искомых частиц в телескопе. При тех гигантских, околосветовых скоростях, которыми обладают частицы, это время ничтожно — миллиардные доли секунды.
Счет неуловимым мгновениям может вести только совершенная электроника. И она исправно ведет его. Частица засчитывается только в том случае, если через второй счетчик она пролетела с определенным запозданием после первого счетчика.
Вот и все. Сколько бы разных частиц с одинаковым импульсом ни пролетало через счетчики, электроника замечает лишь частицы с определенной скоростью, иными словами — с заранее назначенной массой.
Этот остроумный метод сортировки получил название метода запаздывающих совпадений. Теперь, сколько бы, например, пи-мезонов ни летело сквозь счетчики, они отворят «ворота» — допустим, камеры Вильсона — только, скажем, ка-мезонам.
В результате капкан не будет захлопываться без толку от каждого зайца. И будет ловить одних лишь волков. А это очень важно: ка-«волк» попадается куда реже, а потому ценится физиками гораздо дороже, чем пи-«заяц».
Сортировку разных частиц с одинаковыми импульсами можно произвести и по-другому, не вмешивая в это дело измерительные приборы. В густом потоке частиц они, случается, тоже ошибаются. Особенно если нужно вычесать из обильного потока знакомых частиц случайно затесавшиеся в него менее знакомые.
Теперь в ход идет электрическое поле. Оно ведь тоже сбивает частицы, но уже в зависимости от их скорости и массы порознь. Электрическое поле не то, что магнитное: его уже одинаковым импульсом не обманешь. И вот сбивает электрический ветер легкие и быстрые частицы сильнее, чем более тяжелые и медленные.
Но электрический ветер — и мы это уже знаем — при доступных напряженностях поля гораздо слабее магнитного ветра. Поэтому приходится действовать этим ветром на частицы дольше. Магнит уже на одном метре сильно собьет частицы в сторону. Электрическому ветру для этого нужен уже добрый десяток метров.
Такие установки физики назвали сепараторами. Они действительно отделяют «сливки» редких частиц от «молока» сотен обычных. Но очень уж велики они! Нельзя ли сделать поменьше?
Электромагнитный сепаратор частиц. Внутри длинной трубы сильное электрическое поле разделяет частицы одного знака заряда и одного импульса по массам — что-то вроде электрической призмы. Скорость разделяемых частиц столь велика, что даже при сильном электрическом поле приходится из-за малого отклонения частиц в стороны делать очень длинную трубу.
Можно, говорит Владимир Иосифович Векслер. Но для этого надо взять быстропеременное электрическое поле. Ускоритель выбрасывает вторичные частицы сгустками. Магнит сортирует их по импульсам.
И если в рассортированном потоке летят частицы, скажем, с двумя различными массами, то они создадут два сгустка. Можно так подобрать частоту электрического поля, чтобы оно пролетевший первым сгусток более легких частиц отклонило, например, вправо. А к моменту прилета сгустка тяжелых частиц поменяло бы свое направление и отклонило этот сгусток влево.
Вот и все. Теперь оба сгустка частиц разделены не хуже, чем положительные и отрицательные частицы после прохождения магнита!
Арсенал пополняется
Снимем одну из черных коробок на штанге телескопа. Вы ожидаете увидеть стеклянную ампулу счетчика Гейгера. Ничего подобного — перед вами блестит какой-то крупный кристалл.
Да, счетчик Гейгера в физике высокоэнергичных частиц сегодня скромно отходит в сторону. Чем быстрее летят частицы, тем активнее они разрушают ядерные семьи, но тем меньше у них остается времени, чтобы обращать внимание на электронные шкуры атомов. Что там мелкая электронная дичь по сравнению с заманчивой ядерной добычей!
Результат нетрудно предвидеть — ионизация падает. То один, то другой энергичный зверь проскочил бесследно через счетчик. Это неприятно. Физики не желают упустить ни одной интересной частицы.
На смену счетчику приходит кристалл. В нем атомы упакованы гораздо более плотно, чем в газе счетчика. А значит, и вероятность ионизации будет больше. Быстрые частицы вызывают в кристалле вспышки света — те самые вспышки, которые некогда до рези в глазах считал «белый раб» Резерфорда — Ганс Гейгер. И которые заставили его в конце концов «восстать» и придумать счетчик.
Заглянув в этот зал, Гейгер остался бы доволен. Человеческий глаз заменила работающая без устали электроника. Попробуйте снять кристалл — это вам не удастся. Он приклеен к трубочке, похожей на флейту. Это фотоумножитель: он превращает слабенькую вспышку света в сильный импульс электрического тока. Импульс тока по тоненькому проводу уходит под пол в большой светлый зал — царство электроники, где засчитывается приборами.
А вот и другие счетчики — черенковские. Когда Эйнштейн установил, что ни одна вещественная частица, ни одно тело не могут двигаться со скоростью не только большей, но и равной скорости света, то он под скоростью света понимал скорость в совершенно пустом пространстве. А в стекле, например? В стекле свет распространяется почти в полтора раза медленнее. И что же, частицы в стекле не могут превысить скорость света?
Над этим никто не задумывался — нужды не было. И долго не было бы этой нужды, если бы в 1934 году молодой советский ученый Павел Александрович Черенков не обратил внимания на слабое свечение. Оно возникало в обыкновенной воде всякий раз, когда в нее влетала быстрая заряженная частица.
Под действием медленных частиц вода не светилась. Так что новое свечение не могло иметь такую же природу, как и то, над которым «мучился» Гейгер.
Черенков рассказал о неожиданной находке своему учителю Сергею Ивановичу Вавилову. Тот поделился известием с теоретиками Игорем Евгеньевичем Таммом и Ильей Михайловичем Франком. И в результате долгих дискуссий через три года в закон Эйнштейна было внесено «уточнение», а в физику — новое явление.
Есть в физике смешно звучащее понятие: «усы Маха». Это действительно усы, но не на лице известного ученого, а, например, на воде. Они расходятся от носа катера, спешащего по реке. Их легко видеть перед носом сверхзвукового самолета.
Причина их появления одна и та же: скорость движения катера превосходит скорость волн на поверхности воды, скорость полета самолета превышает скорость звуковых волн в воздухе. Именно такие «усы» и узрели наши ученые в свечении, обнаруженном Черенковым. Только не водяные, не воздушные, а световые.
Ну что ж, интересное явление, молвили физики и почти забыли о нем. Но, когда физика обратилась к сверхбыстрым частицам, об этом явлении пришлось вспомнить. Оно идеально подходило для регистрации таких частиц.
Для счетчиков Гейгера надо тщательно подбирать и очищать газ. Вспышки света дает не любой кристалл. Черенковский же свет наблюдается в любом веществе, лишь бы оно было прозрачным. И еще одно приятное обстоятельство — порог: если скорость частицы меньше этого порога, то свечения нет. Значит, такой счетчик сразу отсеет частицы, скорость которых меньше скорости света в его веществе. Подбирая ряд разных веществ, можно получить набор таких порогов. Это очень удобно.
И, как запоздалое признание огромной важности этого открытия для физики частиц, Черенкову, Тамму и Франку (Вавилов к тому времени умер) в 1960 году была присуждена Нобелевская премия.
Ученый тем временем подводит нас к новому прибору. От прибора тянутся толстые шланги под пол, местами на его металлической поверхности виден иней. Низкие температуры? Ученый согласно кивает головой и добавляет: минус двести пятьдесят градусов.
Солидно! Что же там замораживают? Водород.
Предупреждая дальнейшие вопросы, ученый начинает пояснение. Камеру Вильсона помните? Помним: там был пересыщенный «неустойчивый» пар. Ну, а здесь такая же «неустойчивая» перегретая жидкость. Чуть-чуть сдвинь температуру или понизь давление, и она бурно закипит.
Но режим подобран так, что жидкость не кипит. Если идеально очистить стенки колбы и налить в нее дистиллированную воду, то, может быть, она не закипит и при 150 градусах. Просто в ней не могут образоваться пузырьки пара.
Вот такая жидкость и здесь в камере — жидкий перегретый водород. Он кипит уже при –253° по Цельсию, оттого и нужна низкая температура.
Но вот в камеру влетела энергичная частица, и путь ее сразу отмечен цепочкой возникших пузырьков пара в прозрачной жидкости. Теперь фотографируйте, но быстро! Пузырьки пара, как и капельки жидкости в камере Вильсона, живо расползаются.
Изобрел такую камеру американский физик, сын выходцев из России, Дональд Глэзер.
Вильсон придумал свою «туманную» камеру, наблюдая за красивым зрелищем рождения облаков в горах. Глэзер же, как говорят его друзья, додумался до пузырьковой камеры, наблюдая рост пузырьков газа на неровностях стенок пивной бутылки! Самые обыденные явления, замечавшиеся тысячи раз, дают наблюдательному уму пищу для раздумий.
Все? Нет, еще вопрос. А в чем преимущества пузырьковой камеры Глэзера перед «туманной» камерой Вильсона?
Жидкость имеет более высокую плотность по сравнению с паром в камере Вильсона, значит, и событий в пузырьковой камере случается и регистрируется гораздо больше. Кроме того, еще очень удобно, что столкновения частиц можно изучать на самых простых ядрах — ядрах водорода.
А вот еще один прибор. В нем не надо пользоваться лампой-вспышкой: след частицы сам освещает себя. Это искровая камера. Внутренность ее похожа на трюм корабля: толстые металлические перегородки разбивают ее на отсеки.