Открытия физиков через призму пузырьковой камеры и элементарных частиц

Для начале могу предложить вам любопытный опыт. Пойдите к приятелю и скажите ему: «Слушай, загляни туда, где ничего не видно, и расскажи, что там происходит. Только разгляди получше все невидимое, чтобы описать подробней то, что рассмотреть не удается». Вероятней всего, приятель испугается за ваш рассудок. Успокойте его. И подумайте вместе о ежедневной работе физиков, изучающих микромир, населенный элементарными частицами. Этих частиц много, уже сейчас открыто около тридцати. Частицы невидимы, но их особенности и характер, все события, происходящие с ними, человеку знать необходимо.

Поэтому поиск и исследование элементарных частиц требуют поистине сказочных коллективных затрат ума и воли, трудолюбия и таланта. Идя по нехоженному пути, следопыты-физики создали очень много приборов, помогающих выслеживать и изучать частицы. В этих приборах, как в системе зеркал, отражается жизнь обитателей микромира.

Частицы-кипятильники

Пузырьковая камера — сосуд, наполненный прозрачной жидкостью. Обычно это сжиженный газ — пропан, водород, ксенон. Пролетающая сквозь жидкость заряженная частица отрывает у встречных атомов электроны. Атом, лишенный одного или нескольких электронов, превращается в положительно заряженный ион. Так на всем пути частицы через жидкость производится ионизация встречных атомов. А оторванные электроны сами становятся микроснарядами. Но далеко они не улетают. Они мгновенно отдают свою энергию, столкнувшись с соседними атомами. Этот местный приток энергии вызовет усиленный нагрев жидкости на всем пути полета частицы. Теперь пора заметить, что одна из стенок нашего сосуда — упругая мембрана, через которую из расположенного рядом специального отсека передается на жидкость значительное давление газа.

Еще до появления частицы открылся клапан, выпускающий часть газа в атмосферу. Давление на мембрану уменьшилось, она распрямляется. И вот пролетела микропутешественница. В камере с резко уменьшившимся давлением нагретый столбик жидкости вскипает, превращаясь в пар.

Сначала крошечные, пузырьки пара стремительно растут. Ярко вспыхивает свет, и траектория частицы фотографируется в виде цепочки пузырьков. Отсюда название камеры — пузырьковая. Влетело несколько микрочастиц — отлично, на фотоснимке несколько следов. Частицы взаимодействуют с веществом камеры — все в порядке: продукты этого взаимодействия — тоже частицы; если они заряжены, то тоже оставляют следы. Камера гостеприимно отмечает всех, кто побывал в ней за так называемое время чувствительности. Это время, в течение которого она готова повесить пузырьки удобного для съемок размера на всем пути только что пролетевших частиц. А потом пузырьки растут и расползаются, и размытый нечеткий след частиц уже никого не интересует.

Время чувствительности пузырьковой камеры велико — несколько миллисекунд, тысячных долей секунды. Цепочки пузырьков рассказывают исследователям массу подробностей о жизни и нравах микропилотов. Недавно с помощью пузырьковой камеры была открыта новая частица — анти-сигма-минус-гиперон, существование которой было предсказано теоретически.

Частица родилась в жидкости камеры при атомной микрокатастрофе — пи-мезон на полном ходу столкнулся с атомом углерода. Чтобы обнаружить это событие, физики сняли и просмотрели десятки тысяч фотографий. Помните, мы говорили об упорстве и терпении следопытов?

Считайте до миллиарда

На свете нет предмета без каких-нибудь недостатков. И этот раздел я хотел посвятить как раз частным недостаткам пузырьковой камеры, в общем необходимого и отличного прибора. Но мои собеседники — физики-экспериментаторы сказали в один голос: «Нет и нет. То, что в одном опыте — недостаток, в другом оборачивается достоинством. Можно говорить только об особенностях приборов». Ну, что ж, значит об особенностях. С момента, когда жидкость в камере готова вскипеть, и вплоть до закрытия камеры в ней без разбора отмечаются все пролетевшие частицы, все путевые микропроисшествия. Особенность это или недостаток? Давайте разберемся.

Некоторые события в микромире происходят удивительно редко. Живущий на свете всего две миллионных доли секунды мю-мезон, как правило, распадается на электрон и два нейтрино. Однако теоретики давно предполагали, что в одном из ста миллионов случаев мю-мезон может распасться на электрон и гамма-квант. А может быть, и не распадется? Что ж, еще одним отрезком становится короче путь дальнейших поисков. Значит, нужно «совсем немного» — пронаблюдать сто миллионов распадов. А скорее всего — миллиард. Ведь для того, чтобы убедиться в достоверности долгожданного события, надо увидеть его несколько раз.

А может быть, мы сумеем значительно сократить опыт? Будем пропускать через камеру, скажем, сразу по тысяче мезонов. Ого, насколько уменьшится время поиска! Представим себе этого нетерпеливого физика, раз за разом впускающего в камеру целые толпы частиц. Щелкает аппарат. И вот однажды — неужели удача? — что-то очень похожее на следы долгожданного распада промелькнуло на фотоснимке. Но редкостное событие безнадежно запутано следами множества остальных частиц.

«Эх, братцы,— печально скажет физик им вслед.— Вы что же тут наследили? Я вас не просил».

«Ну вот, уже и недоволен, — не останавливаясь, обидчиво возразят мезоны.— Сам виноват. На твоей камере несколько миллисекунд для всех нас горела надпись «Добро пожаловать». Так что теперь не огорчайся».

И понуро разведет руками физик, которому позарез надо отметить редкое событие, не приглашая на него посторонних.

Понимаете, в чем дело? Пузырьковая камера неуправляема. С момента, когда жидкость в ней расширена, она отметит все пролетевшие частицы, все распады, случившиеся в ней, не захлопнувшись, как капкан, только на заданном редком событии. А значит, частицы надо пропускать через нее понемногу, например мезонов штук по десять зараз. И снимать, снимать, снимать. Вот очень простой расчет. Пропуская через камеру даже по десять мезонов, для достаточной достоверности события нам все равно придется сделать сто миллионов фотоснимков. Пусть на каждый уходит всего секунда (не считая времени, которое параллельно со съемками уходит на обработку). Сто миллионов секунд! Больше трех лет непрерывной работы понадобилось бы, чтобы проделать один этот опыт! Но не волнуйтесь, этого никто уже делать не будет. Потому что существует новый прибор — искровая газоразрядная камера с импульсным режимом питания. Названия не надо пугаться. Камера удивительно проста.

Физикам давно был известен искровой счетчик. Две параллельные металлические пластины, на которые подано постоянное высокое напряжение. Пролетающая сквозь счетчик частица создает на своем пути колонку ионов между этими пластинами. Вдоль колонки происходит мгновенный электрический разряд. Пролетевшая частица отмечается, таким образом, короткой искрой, микромолнией.

Но физики не уважали этот прибор. Он часто капризничал, пробои происходили и без участия частиц — от мельчайших шероховатостей поверхности. Между тем необходимость иметь прибор, способный отмечать заранее заданные события, росла и росла. Различные ученые в нескольких странах шли в одном направлении.

Старые искровые счетчики были поставлены друг за другом. Получился ряд параллельных пластин. Теперь уже цепочка микромолний стала указывать траекторию летящей частицы. Но главное было впереди. Высокое напряжение стало подаваться импульсами — на короткий момент сразу после прохождения частицы. «Красивая идея», — сказал об этой находке один из физиков. Это остроумное решение делало прибор управляемым. Действительно, камера все время была теперь в состоянии боевой готовности и могла быть включена в любое необходимое мгновение, безошибочно отмечая вспышкой разряда траекторию заданной частицы.

Теперь оставалось заставить частицу просигналить о своем появлении в камере, о необходимости подать напряжение и заснять ее следы. Чтобы понять, как это было сделано, давайте немного отвлечемся.

Световая эстафета

Латинское слово «сцинтилляция» означает мерцание, короткую вспышку света. Поставим на пути пучка частиц пластинку из сернистого цинка. Микроснаряды легко пронижут пластинку, но, пролетая, отдадут атомам сернистого цинка часть своей энергии. Возбужденные атомы благодарно ответят короткой вспышкой света. Это и есть сцинтилляция. Очень многие вещества обладают этим интересным свойством.

Крошечные блестки света в таком сцинтилляционном счетчике улавливаются фотоумножителем, который превращает их в электрические сигналы, пока еще ничтожно слабые. Затем эти сигналы подаются на усиливающее устройство. Вот и все. А уж теперь эта крошечная вспышка света, рожденная пролетающей частицей, может совершить любую работу. Она усилена до электрического импульса, способного на что угодно. А нам и нужно-то от него очень немного. Он подаст высокое напряжение на пластины искровой камеры. Так пролетающая частица, вызывая искорки света, может привести в действие искровую камеру. Здорово? Еще не очень. И вот почему.

Фотоумножитель усиливает вспышку света от только что пролетевшей частицы. А куда она полетела, вызвав вспышку? Вышла ли она из счетчика? Пролетев через счетчик, не миновала ли она камеру? И «наша» ли это частица? Может быть, это случайная микротуристка, побывавшая только в счетчике. Фотоумножитель этого не знает. Он бесстрастно отмечает самый факт появления частицы. «Только что была вспышка света, — сообщает он своими сигналами.— Об остальном догадывайтесь сами».

Из необходимости знать, куда полетела частица, и подробности ее полета, родился так называемый метод совпадений. Вот пример простейшей схемы совпадения. Сцинтилляционные счетчики, которые дадут команду включить высокое напряжение, ставятся впереди и позади искровой камеры. Микроснаряд, пролетевший оба (обязательно оба!) счетчика, вызовет подачу напряжения. Ведь только наличие сигналов от обоих счетчиков означает, что частица пронеслась и через камеру, стоящую между ними! По команде лишь одного счетчика напряжение не появится. Так нужная нам частица, пройдя камеру, сама же ее и включает, а в камере фотографируются следы, только что оставленные путешественницей.

Схемы совпадений различны в каждом опыте. Этот метод широко применяется в ядерной физике. Недаром его создатель профессор Боте был удостоен Нобелевской премии.

Частицы на самообслуживании

Итак, с помощью схемы совпадений камера управляется именно ожидаемым нами событием. Это отлично видно на примере опыта, проводимого уже сейчас физиками на новой камере; как говорится, на примере из жизни. Из жизни одного из обитателей микромира — отрицательно заряженного пи-мезона. Эта микрочастица, попадая в водородную мишень, в абсолютном большинстве случаев ведет себя одинаково.

(Водородная мишень — это сосуд с жидким водородом, который обстреливается микроснарядами.) Так вот, отрицательный пи-мезон либо пронизывает мишень насквозь, либо отлетает в сторону, столкнувшись с ядром водорода. Но бывают в жизни этих частиц редкие случаи, когда все получается иначе. После столкновения с ядром из мишени вылетает уже не один, а два микропилота — отрицательный и положительный пи-мезоны. Именно этот случай и надо бы уловить камерой.

Давайте посмотрим на рисунок. Искровая камера стоит на пути летящих мезонов. В схему совпадения включены здесь три счетчика. Один стоит впереди, а два остальных рядом друг с другом — сзади камеры. Между первым счетчиком и камерой расположена водородная мишень. Схема сработает, разрешая подачу высокого напряжения только в том случае, если вспышки света появятся одновременно (говоря точнее, с ничтожно малым промежутком во времени) в трех этих счетчиках. Это будет означать, что из мишени, пораженной одним микроснарядом, вылетело уже два. Все обычные случаи взаимодействия схему не «заведут», ей нужна одновременность трех сигналов.

В обычных случаях, столкнувшись с ядром водорода и не выбив положительного пи-мезона, отрицательные улетят куда-то в сторону. Мезон, пролетевший мимо, попадет на особый счетчик, и на схему будет подан запрещающий сигнал, страхующий от неверного включения. Таким образом, камера сработает совершенно безошибочно, выделив редкое событие из огромного множества рядовых.

В каждом физическом опыте подбор схемы совпадений — это расстановка в определенных местах счетчиков, которые «опросят» всех свидетелей случившегося только что микропроисшествия. А сразу после полного сбора свидетельских показаний камера «убеждается», что происшествие было достойно съемки и успевает заснять точную картину его следов.

И вот оно произошло, ожидаемое редкое событие. Частицы пролетели несколько счетчиков и искровую камеру, «разбудив схему». На пластины камеры подается импульс высокого напряжения. Камера еще «помнит» о только что пролетевшей частице — колонка из разрушенных ионов тянется от пластины до пластины. Время памяти — одна микросекунда. Этого достаточно, чтобы успеть подать импульс напряжения. И вдоль колонок, идущих сквозь все искровые промежутки камеры, происходит электрический разряд. Пунктир из микромолний, красный в неоне, чуть голубоватый в аргоне, указывает траектории частиц. Вспышки света не надо, яркость искры достаточна для съемки.

Все это хорошо, скажут мне, но ведь частицы, не сумевшие разбудить схему, все равно летят через камеру, тоже оставляют в ней колонки разрушенных атомов. Не мешаются ли эти ненужные электроны в момент разряда? Нет. На пластины постоянно подано очень небольшое — так называемое очищающее — напряжение. Оно, как дворник осенью опавшие листья, быстро и аккуратно растаскивает в стороны электроны и ионы, образованные ранее пролетавшими частицами. А сразу после разряда очищающее напряжение помогает опять освободить искровое пространство. Через доли секунды после пробоя камера вновь готова к работе.

Счастливого пути!

Помните, мы говорили о возможном распаде мю-мезона на электрон и гамма-квант? Это сверхредкостное событие как будто должно происходить в одном из ста миллионов случаев. Но ведь искровую камеру, подобрав схему совпадений, можно настроить на любой интересующий нас распад, и тогда она отнесется совершенно бесстрастно к обычному распаду мезона на электрон и два нейтрино. Теперь остается пропускать через нее поток летящих мю-мезонов. Кстати, если в пузырьковую камеру мы могли запустить сразу только десять мезонов, то здесь — сколько угодно, все, что сможет дать ускоритель.

Итак, опыт поставлен. Специально выполненная искровая камера в окружении счетчиков, включенных в хитроумно подобранную схему совпадений, стоит на пути пучка мю-мезонов. Жизни первого, второго, стотысячного микропилота заканчиваются в этой камере, но установка никак не реагирует на обычный распад. Уже миллионы мю-мезонов превратились в электроны и нейтрино, так и не сломив ее равнодушия.

Сотни миллионов… а предсказанный теоретиками распад так и не произошел. Ученый выключает камеру. Опыт кончен. Значит, теоретики ошиблись? Этого тоже нельзя сказать. Ведь они говорили только о возможности такого распада, а не о том, что он обязательно должен произойти. Пройден один из тупиков в лабиринте экспериментальных поисков.

И вот еще один интересный опыт, о котором стоит рассказать. Он уже возможен. Теперь его можно осуществить. Микрочастице нейтрино удивительно повезло. Какими только эпитетами не награждали ее авторы очерков о физике! Неуловимое, загадочное, всепроникающее, непойманное — вот далеко не полный перечень ее определений. И действительно, не имеющая заряда, эта частица не меняет свой путь в электрическом и магнитном поле; равнодушная к остальным жителям микромира, она почти не ввязывается в столкновения и прочие микропроисшествия. Огромные толщи вещества свободно пронизывают неуловимые нейтрино (где уж тут удержаться от красочного эпитета).

Как известно читателям нашего журнала, нейтрино все-таки были пойманы. А с приходом искровых камер их «пленение» облегчается. Представьте себе, к примеру, что нам нужно уловить нейтрино, летящие от Солнца. Если бы мы вырыли глубокую шахту и устроились в подземной лаборатории, то, кроме нейтрино, туда не проникла бы сверху ни одна другая частица — они задержались еще по дороге. Что же касается нейтрино, то они могли бы дать редчайшие вспышки в огромном количестве, может быть в десятках тонн сцинтиллирующего вещества. Тогда появилась бы надежда выловить несколько космических нейтрино из гигантского потока этих частиц, пронизывающих Землю. Как видите, затея весьма громоздкая и дорогостоящая.

Зато с появлением искровой камеры этот опыт намного упрощается. В шахту не надо тонну за тонной опускать сцинтиллирующее вещество. Достаточно нескольких счетчиков, включенных в схемы совпадения, и искровых камер. И уж, конечно, ограждение от частиц внутриземной радиации. Искровая камера сделает «зрячим» сцинтиллирующее вещество.

Новое оружие может быть огромным и портативным. Прибор годится для работ с космическими лучами в высокогорных лабораториях, он может быть поднят на спутнике или опущен под землю; может работать с ускорителем или долгое время терпеливо подстерегать заранее заданную частицу, летящую в космических лучах. Он сделает возможным ускорить опыты, которые раньше были немыслимы или тянулись непозволительно долго. Впереди новые открытия на бесконечном пути поиска.

Автор: И. Миронов.