Дихання атомного ядра

Енергією атомного ядра вдалося опанувати ще в той час, коли знайомство фізиків з цим повновладним господарем світу було досить поверховим. Але крихітна серцевина атома — ядро — не тільки джерело особливого типу енергії. Від величини електричного заряду ядра залежить хімічна індивідуальність атома. І водночас властивості атомного ядра задають ритм еволюції гігантських зірок у Всесвіті.

І хоча саме ядро відкрито більше ста років тому, воно і сьогодні продовжує залишатися загадковим і повним таємниць. Яких же відомостей не вистачає вченим для створення повної теорії атомного ядра?

Про те, що ядро складається з протонів і нейтронів, стало відомо досить давно. Але ніяк не вдавалося підмітити багатьох “побутових” подробиць, без яких не відтворити правдивої картини життя колективу частинок, спаяного ядерними силами. І в першу чергу необхідно було дізнатися, як поводяться в ядрі протони і нейтрони, як спілкуються вони один з одним, яким підкоряються законам.

Дослідники мікросвіту вправі були очікувати, що пізнання цих законів, тобто пізнання природи ядерних сил, дасть їм можливість керувати атомними ядрами. За бажанням створювати необхідні людям речовини, одним словом, «вити з ядра мотузки».

“Соляріс” мікрокосмосу

Цілком природно було припустити, що найкоротший шлях до цієї мети пролягає через ретельне, детальне вивчення взаємодій двох окремих ядерних частинок. Наприклад, протона з протоном. Але дія ядерних сил між частинками проявляється тільки на відстані 10^-13 сантиметри. Її і уявити-то було неможливо! А зрушити частинки так близько, подолавши опір електромагнітних сил,— ще важче.

Допомогли прискорювачі елементарних частинок. Вони повідомляли протонам велику енергію, необхідну для подолання потужного електростатичного відштовхування між ними і зближення їх на ядерні відстані.

Здавалося, що варто ще сильніше розігнати протони, проявити ще трохи терпіння, і тоді можна буде зрозуміти основні принципи поведінки нуклонів в ядрах, розкрити, нарешті, таємницю ядерних сил. Але тут виникла абсолютно непередбачена, ускладнююча справу обставина. Чим з більшою енергією стикалися нуклони, тим з більшою ймовірністю народжувалися нові частинки, що не мають ніякого відношення до ядра.

Очікування фізиків-ядерників не виправдалися. Швидкоплинні зустрічі нуклонів великої енергії мало походили на “відносини”, що склалися в існуючому тривалий час згустку ядерних частинок. В ядрі проявлялися якісь нові властивості, що ніяк не виводилися з властивостей частин, його складових. Не можна було розглядати тільки ядро як спільноту окремих нуклонів, як не можна і живий організм вважати простою сумою великої кількості клітин.

Історія взаємин вчених з атомним ядром дещо нагадує описану С. Лемом фантастичну історію спроб встановити контакт землян з планетою Соляріс: і тут періоди зльоту інтересу чергувалися з періодами його падіння, а надії змінювалися розчаруваннями.

Однак враження того, що ядерна «соляристика» зайшла в глухий кут, виникло тільки через відсутність підходящих інструментів для зондування ядер, для більш енергійного вторгнення в їх глибини. Але тим часом фізика елементарних частинок все більш детально досліджувала властивості численних представників мікросвіту, які стали перетворюватися в необхідні ядерникам знаряддя. До їх послуг вже був великий набір частинок – важких і легких, швидких і повільних, дуже слабо і, навпаки, сильно взаємодіючих з речовиною. Знову різко підвищився інтерес до атомного ядра. І результати не змусили себе чекати. У ряду найбільш цікавих опинилися відомості про нові властивості ядер, отримані при дослідженні взаємодії з ними мю-мезонів.

За допомогою цих легких заряджених частинок вчені Об’єднаного Інституту ядерних досліджень в Дубні розкрили новий пласт потаємних властивостей ядерних сил. Проявляються вони в різноманітних колективних коливаннях ядерних нуклонів в момент придбання ядром великого надлишку енергії.

На що схоже «перегріте» ядро?

Вчені добре розуміють, що їм ніколи не докопатися до основних законів, керуючих динамікою і структурою ядерної речовини, якщо не досліджувати поведінку ядер в екстремальних умовах. Зокрема, при дуже сильному “перегріві”, або, як зазвичай говорять фізики, порушенні. Можна було заздалегідь сказати, що ядро, отримавши енергію більше тієї, що потрібна для виділення з нього однієї або декількох частинок, обов’язково втратить ці частинки. Але цікаво було з’ясувати ось яку обставину.

Що являє собою збуджене ядро в той невеликий проміжок часу, коли воно вже втратило права на один або кілька нуклонів, а ті ще не встигли порвати зв’язки з колективом ядерних частинок?

Ядро може придбати велику енергію в зіткненні з сильнодіючою часткою. Наприклад, поглинаючи нейтрон. В цьому випадку воно стає схожим на киплячу краплю ядерної речовини. Частинки в ньому рухаються швидко і, головне, хаотично. У цьому незвичайному, квазі-зв’язному (тобто схожому на пов’язаний) стані ядро перебуває до тих пір, поки вся надлишкова енергія не зосередиться на одному або декількох нуклонах, які заберуть її з ядра.

Таке уявлення про поведінку частинок в збудженому ядрі, що підтверджується експериментами, було твердо засвоєно фізиками. Здавалося, що воно дає міцну основу для подальших досліджень. Але спостереження за поглинанням ядрами гамма-квантів великих енергій потрясли вчених, які встигли вже на багато наглядітися, вивчаючи мікросвіт. Виявилася вражаюча властивість ядра! На ту ж порцію енергії, але подану, так би мовити, під іншим соусом, ядро і реагувало по-іншому.

Гамма-кванти надають на ядро електромагнітний вплив. І що ж? Додаткова енергія від 10 до 25 МэВ, введена в ядро під електромагнітним «соусом», не приводила до хаотичного руху нуклонів. На дуже короткий час вона акумулювалася в узгодженому колективному русі частинок. Збуджений згусток ядерних нуклонів переходив в такий квазі-зв’язний стан, при якому всі протони дружно коливалися щодо нейтронів.

Гамма-кванти значно обережніше підвищують тонус ядра, ніж сильновзаємодіючі частинки. І довгий час вони вважалися єдиним інструментом, з допомогою якого можна було виявити дивовижну здатність ядерних сил залучати нуклони в загальний колективний рух.

Але ось останнім часом цей міф розвіяли нові уявлення про взаємодію елементарних частинок з ядром.

«Дихайте глибше, ви схвильовані»

Атомне ядро поглинало зупинений в речовині мю-мезон за правилами слабкої взаємодії, яка ніде більше, крім як в мікросвіті, не зустрічається.

По суті справи, один з ядерних протонів брав участь у добре відомій реакції: протон + мю-мезон – > нейтрон + нейтрино. Цей процес експериментатори детально досліджували на ядрах водню, тобто на окремих протонах. І вважалося, що точно так само мезони захоплюються протоном, пов’язаним в ядрі. Загалом, ядру відводилася лише пасивна роль постачальника протонів для цієї реакції, що приймає на себе, подібно до прикладу рушниці в момент пострілу, віддачу при вильоті нейтрона і нейтрино. Ядро здавалося просто новою декорацією, на тлі якої розігрувалася давно відома вистава.

Однак цього разу “здоровий консерватизм” фізиків надав їм ведмежу послугу. Число теоретичних і експериментальних робіт, присвячених ядерному мю-захопленню, перевалило за сотню, коли з’явилися перші сумніви в правильності старого підходу. Підвищивши точність розрахунків, вчені виявили, що отримане з дослідів значення ймовірності поглинання мю-мезона ядром майже в два рази менше величини, що пророкується теорією. Це протиріччя вимагало радикальної зміни погляду на саму суть процесу.

Виникала підозра, що мала ймовірність взаємодії мю-мезона з ядром — результат деяких, ще невідомих властивостей самих елементарних частинок, що беруть участь у реакції. Або тут діяли якісь нові принципи заборони. А може бути, ядро відігравало набагато важливішу роль, ніж та, яка відводилася йому раніше?

Фізики опинилися на роздоріжжі! Їм належало обрати єдино правильний напрямок міркувань, який дозволив б зрозуміти це важливе явище.

І ось група вчених вперше представила свою резонансну модель — принципово нову версію тих подій, які відбуваються при захопленні ядром мю-мезона. Вчені припустили, що з Мю-мезоном взаємодіє не просто один з протонів ядра, а бере участь у “виставі” вся нуклона трупа.

Стверджувалося, що саме здатність ядра акумулювати додаткову енергію близько 20 мільйонів електрон-вольт у складних колективних рухах частинок і визначає «обличчя» реакції захоплення мю-мезона.

За резонансної моделі процес поглинання Мю-мезона можна розбити на два етапи. Спочатку зникнення мезона в надрах ядра призводить до народження нейтрино і збудження, розгойдування системи ядерних нуклонів. А вбирає в себе ядро охочіше ті порції енергії, які відповідають певним квазі-зв’язним станам цього згустку з протонів і нейтронів. (Саме тому нова модель ядерних реакцій отримала назву резонансної).

Яким же чином могло здійснитися раптове розгойдування всіх протонів і нейтронів, якщо реакція починалася з поглинання мезона одним-єдиним протоном? Той протон, який «один на один» зустрічається з мезоном, набуває надлишок енергії і перетворюється в іншу частинку — нейтрон, що займає в сім’ї нуклонів новий стан. Так в ядрі з’являється ще один нейтрон, а те місце в стані з меншою енергією, яке раніше було зайнято протоном, звільняється. З’являється, по термінології фізиків, «дірка». Ця пара частка-дірка багато разів зникає і знову з’являється в ядерній речовині. В результаті безперервного дуету різних дірок і частинок всі протони і нейтрони залучаються в дуже складні узгоджені пересування.

Протони починають коливатися щодо нейтронів. Частинки з одним напрямком моменту кількості руху переміщаються щодо частинок з моментом, що має протилежний напрямок. Теоретики припускають, що виникають навіть радіальні коливання всієї ядерної речовини. Ядро як би дихає, то збільшуючи, то зменшуючи свій розмір. Фізики так і називають цей новий тип коливань збудженого ядра «диханням».

На другому етапі, через 10-20 секунд, розбурхана ядерна крапля заспокоюється і повертається в нормальний стан, випромінюючи нейтрон зі строго визначеною енергією. Тобто спектр нейтронів по енергії повинен бути лінійчастим – складатися з окремих чітких ліній, що відповідають певним збудженим станам ядер.

Обчислене на основі такої моделі значення ймовірності захоплення мю-мезона вперше співпало з його експериментальним значенням. Однак нова теорія була багатьма вченими прийнята насторожено. Умами ще володіла звична точка зору на процес поглинання мезонів в ядрі. І теоретична ідея, яка спирається на аналогію між цим явищем і взаємодією гама-квантів з ядрами, яка, як це було відомо, також призводила до складних колективних коливань нуклонів, здавалася безпідставною фантазією.

Перевірити справедливість гіпотези можна було тільки одним шляхом: виявити групи нейтронів, появу яких в цій реакції вона пророкувала.

Доброякісний міхур

За пошуки нейтронів, що вилітають з мішені при опроміненні її мю-мезонами, взялися фізики-експериментатори. Інтернаціональна група вчених підготувала для роботи на синхроциклотроні спеціальну установку, щоб виявити нейтрони в реакції захоплення мезонів ядрами.

Основна складність при створенні експериментальної апаратури полягала в необхідності задовольнити одночасно багатьом, часто суперечливим вимогам. Наприклад, щоб підвищити ефективність установки, краще використовувати детектор нейтронів великих розмірів. Але збільшення розміру відразу призвело б до погіршення здатності приладу виділяти вузькі лінії в спектрі. Цього ні в якому разі не можна допускати. Крім того, досліди можна проводити лише за умови високої стабільності роботи установки протягом десятків і сотень годин.

Експерименти з нейтронами завжди вимагають особливої ретельності і детальної продуманості у виборі детектора. А тут необхідно було ще й чітко, безпомилково розпізнати нейтрони в присутності інтенсивного фону від гамма-квантів, що випромінює і працюючий прискорювач, і сама мішень, де зупиняються мезони.

Самі нейтрони безпосередньо зареєструвати неможливо: будь-який з відомих фізичних приладів реагує тільки на частинки, що мають електричний заряд. Тому нейтрони зазвичай виявляють по поведінці протонів – позитивно заряджених ядер водню, з якими випадково стикаються пролітаючі нейтрони. У прозорому кристалі стільбен, речовини, насиченої воднем, нейтрони, випущені ядрами при захопленні мезона, штовхають протони. А на рухомий протон прилад реагує миттєво. У стильбені виникає світловий спалах, який, посилюючись в особливій лампі-фотомножнику, перетворюється в електричний імпульс.

Але ось біда. Світловий спалах може виникнути в кристалі і при попаданні в нього будь-якої сторонньої зарядженої частинки. Як же впевнитися в тому, що причиною зареєстрованого спалаху світла був саме нейтрон?

Унікальні електронні схеми, створені спеціально для цього експерименту, піддавали найсуворішому контролю кожен імпульс, що виникає в приладі. За формою електричного імпульсу схеми надійно сортували протони від фонових частинок. Потім електронний аналізатор імпульсів визначав енергію протонів. Однак і цього було недостатньо. Адже вчених цікавила енергія вилітаючих з ядра нейтронів, а не енергія протонів, яких вони штовхали в речовині лічильника. І тут виручав комп’ютер. За особливою програмою, відпрацьованою на радіоактивних джерелах і в різних ядерних реакціях, що дають нейтрони з відомою енергією, комп’ютер реконструював спектр нейтронів з вимірюванням енергетичного спектру протонів.

Треба сказати, що між створенням експериментальної установки і початком чистових вимірювань завжди лежить складний, відповідальний період контрольних вимірювань. Період налагодження і осягнення всіх можливостей створеного дітища. Кожен експериментальний пристрій, як будь-який витвір мистецтва, унікальний. Ось чому, перш ніж пустити установку в хід за прямим призначенням, фізики спочатку протягом цілого року прискіпливо перевіряли, чи відповідає вона задумам і чи не вносить яких-небудь спотворень.

Нарешті довгоочікуваний день настав. На екрані аналізатора почали вимальовуватися перші спектри протонів. Важко було вченим дочекатися кінця першого сеансу роботи на прискорювачі. Очі мимоволі намагалися розрізнити якісь незвичайні деталі спектру, і було потрібне велике самовладання, щоб статистичні нерівномірності в наборі імпульсів по різних каналах не прийняти за довгоочікувану зростаючу лінію. Піддавшись спокусі, експериментатори провели попередню обробку результатів після кількох годин роботи і виявили… “міхур”, спученість в певному місці спектру.

Що це – недовговічний «мильний» міхур, якому судилося лопнути при наборі більшого числа імпульсів, або майбутня лінія? На щастя, в наступні години роботи підтвердилося друге припущення. І в наступних сеансах роботи на прискорювачі досить надійно були зафіксовані групи нейтронів від захоплення мю-мезонів ядрами різних хімічних елементів.

Експеримент повністю підтвердив розрахунки теоретиків.

Автор: В. Чорногорова.