Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Что же мешает выявить основные законы микромира, такие же общие и бесспорные, как, например, закон Ома? Может быть, этих законов вообще нет и царит в микромире анархия? Или еще не создан язык для их описания, язык, достаточно безумный для этого безумного мира? (Устройство цветного телевизора или компьютера трудно описать словами — для этого нужен язык электрических схем.) Или, может быть, для создания упорядоченной модели микромира еще нужно найти что-то самое важное, подобно тому как Копернику нужно было найти истинный центр нашей планетарной системы, чтобы избавиться от птолемеевых нагромождений?

Физики (и теоретики, и экспериментаторы) охотно будут обсуждать с вами эти вопросы. Охотно и обстоятельно. Но только недолго. У них сейчас для этого просто очень мало времени — у них очень много работы. В физике микромира вновь задули ветры оптимизма. Исследователи создают новые супервиртуозные теоретические модели, планируют и проводят новые ультрасложные эксперименты, пытаясь найти и объяснить новые факты, которых, может быть, как раз и не хватает для построения, как они говорят, красивой теории.

В последнее время надежда на успех в какой-то мере связана с так называемыми нейтринными экспериментами. Они проводятся на нескольких ускорителях, в том числе и на Серпуховской машине — на всемирно известном ускорителе Института физики высоких энергий, который находится в поселке Протвино под Серпуховом. В предельно упрощенном виде эти эксперименты выглядят так: атомные ядра бомбардируют потоком нейтрино и регистрируют, сколько каких ядерных реакций происходит под действием этой бомбардировки.

Уже в самом факте нейтринных экспериментов есть что-то удивительное, парадоксальное. За нейтрино издавна укрепилась репутация неуловимой частицы, теперь же оно само стало орудием исследований, инструментом экспериментаторов. Неуловимость нейтрино связана с тем, что у него нет электрического заряда и, как полагают некоторые теоретики, нет массы покоя (вопрос о массе, правда, пока остается открытым, но если она и есть, то чрезвычайно мала). Но главное — это удивительная инертность нейтрино, когда дело касается взаимодействий с другими частицами. Нейтрино беспрепятственно проходит через вещество, не взаимодействует с ним. Точнее, почти не взаимодействует — рано или поздно нейтрино все же натыкается на ядерную частицу, которая под действием удара чаще всего разрушается, распадается. Эти распады частиц, вызванные нейтринной бомбардировкой, представляют особый интерес: они могут дать исследователям информацию о ядерных процессах, которую никакими другими способами получить нельзя.

Нетрудно догадаться, что для проведения нейтринных экспериментов нужно создать поток нейтрино, нужно очистить его от всех других частиц и нужно терпеливо ждать «событий» — столкновения нейтрино с ядерными частицами. Но от общей схемы, от этих, казалось бы, простых «нужно» лежит трудный и долгий путь до реальных установок, реальных экспериментов.

Вот несколько штрихов, дающих представление о подготовке к нейтринным экспериментам на Серпуховском ускорителе. Рассказывают создатели нейтринной установки, участники первых экспериментов на ней.

Доктор физико-математических наук Альберт Иванович Мухин, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Идею нейтринных экспериментов на ускорителях еще в шестидесятых годах выдвинули академики Моисей Александрович Марков и Бруно Максимович Понтекорво. Однако понадобились годы, прежде чем идея была реализована. Основной элемент любой установки для таких экспериментов — это, конечно, сам ускоритель, который дает пучок протонов высокой энергии — у нас до 70 ГэВ. Протоны бомбардируют алюминиевую мишень, и из нее вылетают потоки разных частиц, в частности пи-мезоны ( π + ) и ка-мезоны ( К + ). Пролетев некоторое расстояние, и те и другие распадаются (см. рис.) на мю-мезоны и нейтрино ( μ + v ).

Частицы, вылетавшие из алюминиевой мишени, пробегают по длинной (150 м) вакуумной камере, и за время этого пробега происходит очень много распадов, рождающих нейтрино. Так создается поток нейтрино, но, конечно, не в чистом виде, а в смеси с огромным количеством других частиц.

На пути из вакуумной камеры к регистрирующим устройствам частицы должны преодолеть железный фильтр толщиной 66 м. Нейтрино пронизывают его легко и просто, для всех же остальных частиц этот фильтр практически непреодолим. В итоге на выходе фильтра получается практически идеально чистый поток нейтрино. Вся установка окружена железным экраном с общей массой 20 тыс. т — по массе это большой океанский. лайнер.

Доктор физико-математических наук Виталий Сергеевич Кафтанов, руководитель лаборатории Института теоретической и экспериментальной физики:

— Мишени, в которые направляют поток нейтрино, — это квадратные стальные плиты со стороной 2,2 м, толщиной 12 см. Всего таких плит на установке 24, нейтринный поток последовательно пронизывает их одну за другой. В промежутке между каждыми двумя соседними плитами находятся детекторы частиц— искровые камеры. Это фактически трехпластинчатые конденсаторы с высоким напряжением (30 кВ) между пластинами. Пролет нейтрино в таких детекторах, конечно, не регистрируется. Но когда в какой-нибудь стальной пластине нейтрино налетит на ядерную частицу, то их взаимодействие будет точно зафиксировано— новые частицы, рожденные этим взаимодействием, пролетая между пластинами «конденсатора», на своем пути ионизируют газ, и по их невидимому следу проскакивает тонкая искра, которая фотографируется или регистрируется фотоэлектронным устройством. Примечательно вот что. В любых других ядерных экспериментах регистрируется очень много «событий» — столкновений, распадов и т. п. — и потом из сотен тысяч фотографий отбирается несколько нужных. В нейтринных экспериментах посторонних «событий» нет, регистрирующие приборы в основном все время молчат. Но когда они наконец срабатывают, то это почти всегда означает, что произошло истинно нейтринное «событие» — какое-то нейтрино попало в ядро. В первом цикле экспериментов за три недели было зарегистрировано несколько тысяч таких «событий».

Доктор физико-математических наук Александр Васильевич Самойлов, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Одна из главных характеристик установок для нейтринных экспериментов — это частота следования «событий». Желательно, чтобы «события» происходили как можно чаще — здесь, очевидно, пояснений не требуется. Частота «событий» зависит от плотности нейтринного потока, а значит, от многих факторов: от энергии протонов, направленных из ускорителя на алюминиевую мишень, от интенсивности протонного пучка. И еще от конфигурации потока пи-мезонов и ка-мезонов, из которых в итоге образуется поток нейтрино. Если собрать, сконцентрировать пи-мезоны и ка-мезоны, не давать им разлетаться по сторонам, а направить их в сторону стальных плит-мишеней, то и поток нейтрино в этом направлении станет «гуще», а значит, чаще будут происходить и регистрироваться «события».