Відкриття фізиків через призму бульбашкової камери та елементарних частинок

Для початку можу запропонувати вам цікавий дослід. Підіть до приятеля і скажіть йому: «Слухай, зазирни туди, де нічого не видно, і розкажи, що там відбувається. Тільки роздивись чим краще все невидиме, щоб описати детальніше те, що розглянути не вдається». Скоріш за все, приятель злякається за ваш розум. Заспокойте його. І подумайте разом про щоденну роботу фізиків, які вивчають мікросвіт, населений елементарними частинками. Цих частинок багато, вже зараз відкрито близько тридцяти. Частинки невидимі, але їх особливості та характер, всі події, що відбуваються з ними, людині знати необхідно.

Тому пошук і дослідження елементарних частинок вимагають воістину казкових колективних витрат розуму і волі, працьовитості і таланту. Йдучи неходженими шляхами, слідопити-фізики створили дуже багато приладів, які допомагають вистежувати і вивчати частинки. У цих приладах, як в системі дзеркал, відбивається життя мешканців мікросвіту.

Частинки-кип’ятильники

Бульбашкова камера – посудину, наповнена прозорою рідиною. Зазвичай це зріджений газ – пропан, водень, ксенон. Пролітаюча крізь рідину заряджена частка відриває у зустрічних атомів електрони. Атом, позбавлений одного чи декількох електронів, перетворюється в позитивно заряджений іон. Так на всьому шляху частинки через рідину виробляється іонізація зустрічних атомів. А відірвані електрони самі стають мікроснарядами. Але далеко вони не відлітають. Вони миттєво віддають свою енергію, зіткнувшись з сусідніми атомами. Цей місцевий приплив енергії викличе посилений нагрів рідини на всьому шляху польоту частинки. Тепер пора зауважити, що одна зі стінок нашої судини – пружна мембрана, через яку з розташованого поруч спеціального відсіку передається на рідину значний тиск газу.

Ще до появи частинки відкрився клапан, він випустив частину газу в атмосферу. Тиск на мембрану зменшився, вона розпрямляється. І ось пролетіла мікромандрівниця. В камері з різко зменшеним тиском нагрітий стовпчик рідини скипає, перетворюючись на пару.

Спочатку крихітні, бульбашки пари стрімко ростуть. Яскраво спалахує світло, і траєкторія частки фотографується у вигляді ланцюжка бульбашок. Звідси назва камери – бульбашкова. Влетіло кілька мікрочастинок – чудово, на фотознімку кілька слідів. Частинки взаємодіють з речовиною камери – все в порядку: продукти цієї взаємодії – теж частинки; якщо вони заряджені, то теж залишають сліди. Камера гостинно відзначає всіх, хто побував в ній за так званий час чутливості. Це час, протягом якого вона готова повісити бульбашки зручного для зйомок розміру на всьому шляху щойно пролетілих частинок. А потім бульбашки ростуть і розповзаються, і розмитий нечіткий слід частинок вже нікого не цікавить.

Час чутливості бульбашкової камери великий – кілька мілісекунд, тисячних часток секунди. Ланцюжки бульбашок розповідають дослідникам масу подробиць про життя і звичаї мікропілотов. Недавно за допомогою бульбашкової камери була відкрита нова частинка – анти-сигма-мінус-гіперон, існування якої було передбачено теоретично.

Частка народилася в рідині камери при атомній мікрокатастрофі – пі-мезон на повному ходу зіткнувся з атомом вуглецю. Щоб виявити цю подію, фізики зняли і переглянули десятки тисяч фотографій. Пам’ятайте, ми говорили про завзятість і терпіння слідопитів?

Рахуйте до мільярдів

На світі немає предмета без якихось недоліків. І цей розділ я хотів присвятити якраз приватним недолікам бульбашкової камери, загалом необхідного і відмінного приладу. Але мої співрозмовники – фізики-експериментатори сказали в один голос: «Ні й ні. Те, що в одному досліді – недолік, в іншому обертається перевагою. Можна говорити тільки про особливості приладів». Ну, що ж, значить про особливості. З моменту, коли рідина в камері готова закипіти, і аж до закриття камери в ній без розбору зазначаються всі пролетілі частинки, всі шляхові мікропригоди. Особливість це чи недолік? Давайте розберемося.

Деякі події в мікросвіті відбуваються дивно рідко. Мю-мезон, який живе на світі всього дві мільйонних частки секунди, як правило, розпадається на електрон і два нейтрино. Однак теоретики давно припускали, що в одному зі ста мільйонів випадків мю-мезон може розпастися на електрон і гамма-квант. А може бути, і не розпадеться? Що ж, ще одним відрізком стає коротшим шлях подальших пошуків. Значить, потрібно «зовсім небагато» – поспостерігати сто мільйонів розпадів. А швидше за все – мільярд. Адже для того, щоб переконатися в достовірності довгоочікуваної події, треба побачити її кілька разів.

А може бути, ми зуміємо значно скоротити дослід? Будемо пропускати через камеру, скажімо, відразу по тисячі мезонів. Ого, наскільки зменшиться час пошуку! Уявімо собі цього нетерплячого фізика, який раз за разом впускає в камеру цілі натовпи частинок. Клацає апарат. І ось одного разу – невже вдача? – Щось дуже схоже на сліди довгоочікуваного розпаду промайнуло на фотознімку. Але рідкісна подія безнадійно заплутана слідами безлічі інших частинок.

«Ех, братці, – сумно скаже фізик їм вслід. – Ви що ж тут наслідили? Я вас не просив».

«Ну ось, вже і незадоволений, – не зупиняючись, ображено заперечать мезони. – Сам винен. На твоїй камері кілька мілісекунд для всіх нас горів напис «Ласкаво просимо». Так що тепер не засмучуйся».

І понуро розведе руками фізик, якому конче треба відзначити рідкісну подію, не запрошуючи на неї сторонніх.

Розумієте, в чому справа? Бульбашкова камера некерована. З моменту, коли рідина в ній розширена, вона відзначить все що пролетіло, всі частинки, всі розпади, що трапилися в ній, не закриється, як капкан, тільки на заданій рідкісній події. А значить, частинки треба пропускати через неї потроху, наприклад мезонів штук по десять за один раз. І знімати, знімати, знімати. Ось дуже простий розрахунок. Пропускаючи через камеру навіть по десять мезонів, для достатньої достовірності події нам все одно доведеться зробити сто мільйонів фотознімків. Нехай на кожен йде всього секунда (не рахуючи часу, який паралельно зі зйомками йде на обробку). Сто мільйонів секунд! Більше трьох років безперервної роботи знадобилося б, щоб проробити один цей дослід! Але не хвилюйтеся, цього ніхто вже робити не буде. Тому що існує новий прилад – іскрова газорозрядна камера з імпульсним режимом харчування. Назви не треба лякатися. Камера дивно проста.

Фізикам давно був відомий іскровий лічильник. Дві паралельні металеві пластини, на які подано постійну високу напругу. Пролітаюча крізь лічильник частинка створює на своєму шляху колонку іонів між цими пластинами. Вздовж колонки відбувається миттєвий електричний розряд. Пролетіла частинка відмічається, таким чином, короткою іскрою, мікроблискавкою.

Але фізики не поважали цей прилад. Він часто вередував, пробої відбувалися і без участі частинок – від найдрібніших жорсткостей поверхні. Між тим необхідність мати прилад, здатний відзначати наперед задані події, росла і росла. Різні вчені в декількох країнах йшли в одному напрямку.

Старі іскрові лічильники були поставлені один за одним. Вийшов ряд паралельних пластин. Тепер вже ланцюжок мікрохвиль став вказувати траєкторію летючої частинки. Але головне було попереду. Висока напруга стала подаватися імпульсами – на короткий момент відразу після проходження частинки. «Красива ідея», – сказав про цю знахідку один з фізиків. Це дотепне рішення робило прилад керованим. Дійсно, камера весь час була тепер в стані бойової готовності і могла бути включена в будь-яку необхідну мить, безпомилково відзначаючи спалахом розряду траєкторію заданої частинки.

Тепер залишалося змусити частинку просигналити про свою появу в камері, про необхідність подати напругу і зафільмувати її сліди. Щоб зрозуміти, як це було зроблено, давайте трохи відвернемося.

Світлова естафета

Латинське слово «сцинтилляція» означає мерехтіння, короткий спалах світла. Поставимо на шляху пучка часток пластинку з сірчистого цинку. Мікроснаряди легко проженуть платівку, але, пролітаючи, віддадуть атомам сірчистого цинку частину своєї енергії. Збуджені атоми вдячно відповідять коротким спалахом світла. Це і є сцинтилляція. Дуже багато речовин володіють цією цікавою властивістю.

Крихітні блискітки світла в такому сцинтиляційному лічильнику уловлюються фотомножником, який перетворює їх в електричні сигнали, поки ще мізерно слабкі. Потім ці сигнали подаються на якийсь посилюючий пристрій. От і все. А вже тепер цей крихітний спалах світла, народжений пролітаючою частинкою, може вчинити будь-яку роботу. Він посилений до електричного імпульсу, здатного на що завгодно. А нам і потрібно щось від нього дуже небагато. Він подасть високу напругу на пластини іскрової камери. Так пролітаюча частинка, викликаючи іскорки світла, може привести в дію іскрову камеру. Файно? Ще не дуже. І ось чому.

Фотомножувач посилює спалах світла від частинки, яка щойно пролетіла. А куди вона полетіла, викликавши спалах? Чи вийшла вона з лічильника? Пролетівши через лічильник, чи не минула вона камеру? І чи «наша» це частинка? Може бути, це випадкова мікротуристка, яка побувала тільки в лічильнику. Фотомножувач цього не знає. Він безпристрасно відзначає самий факт появи частинки. «Щойно був спалах світла, – повідомляє він своїми сигналами. – Про решту догадуйтеся самі».

З необхідності знати, куди полетіла частинка, і подробиці її польоту, народився так званий метод збігів. Ось приклад найпростішої схеми збігу. Сцинтиляційні лічильники, які дадуть команду включити високу напругу, ставляться попереду і позаду іскрової камери. Мікроснаряд, що пролетів обидва (обов’язково обидва!) лічильника, викличе подачу напруги. Адже тільки наявність сигналів від обох лічильників означає, що частинка пронеслася і через камеру, яка стоїть між ними! За командою лише одного лічильника напруга не з’явиться. Так потрібна нам частинка, пройшовши камеру, сама ж її і включає, а в камері фотографуються сліди, щойно залишені мандрівницею.

Схеми збігів різні в кожному досліді. Цей метод широко застосовується в ядерній фізиці. Недарма його творець професор Боті був удостоєний Нобелівської премії.

Частинки на самообслуговуванні

Отже, за допомогою схеми збігів камера управляється саме очікуваною нами подією. Це відмінно видно на прикладі досліду, проведеного вже зараз фізиками на новій камері; як то кажуть, на прикладі з життя. З життя одного з мешканців мікросвіту – негативно зарядженого пі-мезона. Ця мікрочастинка, потрапляючи у водневу мішень, в абсолютній більшості випадків веде себе однаково.

(Воднева мішень – це посудина з рідким воднем, який обстрілюється мікроснарядами.) Так от, негативний пі-мезон або пронизує мішень наскрізь, або відлітає в сторону, зіткнувшись з ядром водню. Але бувають в житті цих частинок рідкісні випадки, коли все виходить інакше. Після зіткнення з ядром з мішені вилітає вже не один, а два мікропілота – негативний і позитивний пі-мезони. Саме цей випадок і треба б вловити камерою.

Давайте подивимося на малюнок. Іскрова камера стоїть на шляху мезонів, що летять. В схему збігу включені тут три лічильника. Один стоїть попереду, а два інших поруч один за одним – ззаду камери. Між першим лічильником і камерою розташована воднева мішень. Схема спрацює, дозволяючи подачу високої напруги тільки в тому випадку, якщо спалахи світла з’являться одночасно (кажучи точніше, з мізерно малим проміжком у часі) в трьох цих лічильниках. Це означатиме, що з мішені, враженої одним мікроснарядом, вилетіло вже два. Всі звичайні випадки взаємодії схему не «заведуть», їй потрібна одночасність трьох сигналів.

У звичайних випадках, зіткнувшись з ядром водню і не вибивши позитивного пі-мезона, негативні відлетять кудись убік. Мезон, що пролетів мимо, потрапить на особливий лічильник, і на схему буде поданий заборонний сигнал, що страхує від невірного включення. Таким чином, камера спрацює абсолютно безпомилково, виділивши рідкісну подію з величезної безлічі рядових.

У кожному фізичному досліді підбір схеми збігів – це розстановка в певних місцях лічильників, які «опитають» всіх свідків мікропригоди, яка щойно сталася. А відразу після повного збору свідчень свідків камера «переконується», що подія була гідною зйомки і встигає зняти точну картину її слідів.

І ось воно сталося, очікувана рідкісна подія. Частинки пролетіли кілька лічильників і іскрову камеру, «розбудивши схему». На пластини камери подається імпульс високої напруги. Камера ще «пам’ятає» про щойно пролетілу частинку – колонка із зруйнованих іонів тягнеться від пластини до пластини. Час пам’яті – одна мікросекунда. Цього достатньо, щоб встигнути подати імпульс напруги. І вздовж колонок, що йдуть крізь всі іскрові проміжки камери, відбувається електричний розряд. Пунктир з мікроблискавок, червоний в неоні, трохи голубуватий в аргоні, вказує траєкторії частинок. Спалахи світла не треба, яскравість іскри достатня для зйомки.

Все це добре, скажуть мені, але ж частинки, які не зуміли розбудити схему, все одно летять через камеру, теж залишають в ній колонки зруйнованих атомів. Чи не заважають ці непотрібні електрони в момент розряду? Ні. На пластини постійно подано дуже невелику – так звану очищаючу – напругу. Вона, як двірник восени опале листя, швидко і акуратно розтаскує в сторони електрони і іони, утворені раніше пролітаючими частинками. А відразу після розряду очищаюча напруга допомагає знову звільнити іскровий простір. Через частки секунди після проби камера знову готова до роботи.

Щасливої дороги

Пам’ятайте, ми говорили про можливий розпад мю-мезона на електрон і гамма-квант? Ця надрідкісна подія начебто має відбуватися в одному зі ста мільйонів випадків. Але ж іскрову камеру, підібравши схему збігів, можна налаштувати на будь-який цікавлячий нас розпад, і тоді вона поставиться абсолютно безпристрасно до звичайного розпаду мезона на електрон і два нейтрино. Тепер залишається пропускати через неї потік літаючих мю-мезонів. До речі, якщо в бульбашкову камеру ми могли запустити відразу тільки десять мезонів, то тут – скільки завгодно, все, що зможе дати прискорювач.

Отже, дослід поставлений. Спеціально виконана іскрова камера в оточенні лічильників, включених в хитромудро підібрану схему збігів, стоїть на шляху пучка мю-мезонів. Життя першого, другого, стотисячного мікропілота закінчуються в цій камері, але установка ніяк не реагує на звичайний розпад. Вже мільйони мю-мезонів перетворилися на електрони і нейтрино, так і не зламавши її байдужості.

Сотні мільйонів… а передбачений теоретиками розпад так і не відбувся. Вчений вимикає камеру. Дослід закінчений. Значить, теоретики помилилися? Цього теж не можна сказати. Адже вони говорили тільки про можливість такого розпаду, а не про те, що він обов’язково повинен відбутися. Пройдено один з тупиків в лабіринті експериментальних пошуків.

І ось ще один цікавий дослід, про який варто розповісти. Він вже можливий. Тепер його можна здійснити. Мікрочастинкам нейтрино дивно пощастило. Якими тільки епітетами не нагороджують її автори нарисів про фізику! Невловиме, загадкове, всеохоплююче, неспіймане – ось далеко не повний перелік її визначень. І дійсно, вона не має заряду, ця частка не міняє свій шлях в електричному та магнітному полі; байдужа до решти жителів мікросвіту, вона майже не вплутується в зіткнення і інші мікропригоди. Величезні товщі речовини вільно пронизують невловимі нейтрино (де вже тут втриматися від барвистого епітета).

Як відомо читачам нашого журналу, нейтрино все-таки були спіймані. А з приходом іскрових камер їх «полонення» полегшується. Уявіть собі, наприклад, що нам потрібно вловити нейтрино, які летять від Сонця. Якби ми вирили глибоку шахту і влаштувалися в підземній лабораторії, то, крім нейтрино, туди не проникла б зверху жодна інша частинка – вони затрималися ще по дорозі. Що ж до нейтрино, то вони могли б дати рідкісні спалахи у величезній кількості, може бути в десятках тонн сцинтилліруючої речовини. Тоді з’явилася б надія виловити кілька космічних нейтрино з гігантського потоку цих частинок, які пронизують Землю. Як бачите, затія вельми громіздка і дорога.

Зате з появою іскрової камери цей дослід набагато спрощується. В шахту не треба тонну за тонною опускати сцинтилліруючу речовину. Досить кількох лічильників, включених в схеми збігу, і іскрових камер. І вже, звичайно, огородження від частинок земної радіації. Іскрова камера зробить «зрячою» сцинтилліруючу речовину.

Нова зброя може бути величезною і портативною. Прилад годиться для робіт з космічними променями в високогірних лабораторіях, він може бути піднятий на супутник або опущений під землю; може працювати з прискорювачем або довгий час терпляче підстерігати заздалегідь задану частку, котра летить в космічних променях. Він зробить можливим прискорити досліди, які раніше були немислимі або тяглися недозволено довго. Попереду нові відкриття на нескінченному шляху пошуку.

Автор: І. Миронов.