Вера Черногорова - Загадки микромира

Нам, живущим в эпоху создания великолепных ускорителей, таких, как Серпуховской или в Батавии, трудно представить, что во времена Э. Резерфорда непреодолимой казалась проблема создания источников постоянного высокого напряжения.

Группа итальянских физиков пыталась использовать для ускорения частиц грозовые разряды в горах. Однако вести эксперименты с таким непостоянным источником напряжения было по меньшей мере неудобно.

И вот настал 1932 год, когда сотрудники Э. Резерфорда — «его мальчики» — Д. Кокрофт и Е. Уолтон получили пучок протонов, ускоренных в разрядной трубке до энергии почти одного миллиона электрон-вольт. Тогда это была крупнейшая победа. Впервые в истории физики можно было наблюдать ядерные реакции, вызванные искусственно ускоренными частицами. Можно понять восторженность Н. Бора, который в письме к Э. Резерфорду назвал это примитивное устройство «мощным средством» науки.

Так началась эра ускорителей в физике элементарных частиц.

Следующим важным шагом было создание Э. Лоуренсом кольцевого ускорителя — циклотрона, форму которого унаследовали и современные гигантские машины. Однако принцип работы циклотрона не позволял получать частицы с энергией выше нескольких десятков миллионов электрон-вольт. Поэтому можно считать, что история ускорителей, сыгравших огромную роль в познании микромира, начинается в 1944 году. В этом году советский ученый В. Векслер сообщил об открытии принципа автофазировки. Путь к высоким энергиям был проложен.

Теперь ускорители с энергией в несколько миллиардов электрон-вольт и выше стали играть роль «волшебной палочки», с помощью которой можно в любой момент создать «красочную феерию» из множества элементарных частиц.

Вспомните, как все это происходит. Ускоренные до огромной энергии протоны сталкиваются с мишенью, расположенной либо внутри вакуумной камеры, либо на выходе протонного пучка из ускорителя. И во все стороны разлетаются нейтроны, протоны, мезоны, резонансы…

К сожалению, не вся энергия сталкивающихся частиц расходуется на рождение новых. Масса быстрых, ускоренных протонов значительно больше массы протонов, находящихся в неподвижной мишени. И при их соударении значительная доля энергии протона-«снаряда» уходит на движение обеих частиц. А на рождение новых остается совсем немного. Только при встречной одинаковой скорости они могут всю свою энергию превратить в энергию взаимодействия. Но нельзя же передвигать мишень с околосветовой скоростью навстречу ускоренным протонам.

А почему нельзя? — задумались ученые. Игра стоит свеч: если скорости встречных частиц будут близки к скорости света, то эффект их взаимодействия может увеличиться не в 4 раза, как предсказывает механика Ньютона, а, например, в 4 тысячи. При столкновении двух электронов с энергией в миллиард электрон-вольт эффект их взаимодействия будет эквивалентен энергии ускорителя на 4000 миллиардов электрон-вольт!

Как же себе это представить? Может быть, это ускоритель без обычной мишени? А может быть, это ускоритель с мишенью, «раскрученной» до скорости света? Но тогда она превратится в такой же пучок ускоренных протонов. Так возникла идея ускорителя на встречных пучках.

Только не подумайте, что он состоит из двух ускорителей, стоящих напротив друг друга со скрещенными, словно рапиры, пучками. На самом деле это один и тот же ускоритель, который «накачивает» два металлических кольца, как велосипедные шины, летящими в противоположные стороны протонами.

Два переплетающихся кольца диаметром 300 метров — такова установка для встречных пучков, запущенная недавно в ЦЕРНе. Протоны, впрыснутые в кольца из обычного ускорителя с энергией 23 миллиарда электрон-вольт, взаимодействовали друг с другом как частицы с энергией в 50 раз большей — одна тысяча сто миллиардов электрон-вольт!

Ученые впервые наблюдали рассеяние протонов на протоне при такой недостижимой ни на каком классическом ускорителе энергии. Сложная система магнитов весом в 5000 тонн удерживала частицы на магнитной дорожке в камере длиною около 1000 метров и десять сантиметров в диаметре. Остается добавить, что все это устройство создавалось в течение 5 лет коллективом физиков, состоящим из 300 человек.

Но у новых ускорителей был один серьезный недостаток, свое слабое место. Ахиллесова пята таких ускорителей на встречных пучках — малая плотность подвижной мишени: второго пучка. Она в сотни миллионов миллиардов раз меньше плотности обычной неподвижной мишени. Вот почему ускорители эти начали строить недавно, хотя идея их создания известна уже давно.

«Столкнуть две частицы, — говорил академик Г. Будкер, — задача по сложности примерно такая же, как „устроить“ встречу двух стрел, одну из которых выпустил бы Робин Гуд с Земли, а вторую Вильгельм Телль с планеты, вращающейся вокруг Сириуса».

Физикам приходится добиваться того, чтобы пути частиц пересекались как можно чаще. Церновские кольца имеют такую геометрию, что протоны встречаются в восьми специальных участках.

В Институте ядерной физики Новосибирска под руководством академика Г. Будкера ведутся исследования встречных протон-антипротонных пучков. Строится установка, где будут встречаться протоны и антипротоны с энергией по 25 Гэв, что эквивалентно обычному ускорителю на 1200 Гэв. Скрестятся пути частиц материи и антиматерии. Есть надежда, что если кварки существуют и их масса не больше 25 масс протона, то они будут обнаружены.

«Сверхвысокие энергии — область только встречных пучков», — считает академик Г. Будкер. Поэтому уже сегодня физики Новосибирска обсуждают проект новой установки со встречными пучками протонов и антипротонов, соответствующей ускорителю с энергией 2 миллиона миллиардов электрон-вольт. Классический ускоритель на такую энергию имел бы диаметр земного шара, а его стоимость приблизилась бы к национальному доходу всей планеты.

Однако и ускорители на встречных пучках довольно сложные и громоздкие устройства. Да к тому же они связаны с обычным, классическим методом ускорения.

В 1956 году академик В. Векслер предложил совершенно новый способ ускорения элементарных частиц. До сих пор все машины рассчитывались на ускорение каждой отдельно взятой частицы. Хотя мы и говорим о пучке протонов, обсуждаем его плотность, но все эти протоны, бок о бок мчащиеся в вакуумной камере по магнитной дорожке, по сути дела, независимы друг от друга.