Вера Черногорова - Загадки микромира

В. Векслер первый понял, что не нужно ускорять частицы по одной, что «вся сила — в коллективе». И высказал идею, которая показалась совершенно фантастической. Ее не поняли поначалу даже такие специалисты в области ускорителей, как Э. Лоуренс и Мак-Миллан.

Действительно, трудно представить, что можно ускорить, например, протоны электрическим полем, которое создается не внешними источниками, а сгустком электронов. Электроны с энергией всего в 1 Мэв уже движутся со скоростью, близкой к скорости света. Если же большой сгусток таких электронов захватит и увлечет за собой протоны, то через некоторое время их скорости сравняются. Но протоны в 2000 раз тяжелее электронов. Во столько же раз больше будет их энергия. Она достигнет нескольких миллиардов электрон-вольт.

Не исключено, что эта идея воплотится в новом методе получения специфических пучков частиц для исследований в ядерной физике.

В конце апреля 1953 года на съезде американского физического общества во время ленча в саду гостиницы познакомились два будущих лауреата Нобелевской премии — уже известный физик-экспериментатор Л. Альварец и никому не известный Д. Глазер очень сожалел, что никто не услышит его десятиминутного сообщения, потому что оно будет самым последним докладом на съезде.

«В то время, время тихоходных самолетов, — вспоминал Л. Альварец, — последний доклад на съезде слушало еще меньшее число людей, чем сейчас (если это только возможно). Я допускал, что, быть может, тоже не буду присутствовать на этом докладе, и попросил его объяснить мне то, о чем он собирается рассказывать. Так я впервые услышал от Д. Глазера об изобретении им пузырьковой камеры. Его работа оказала на меня сильнейшее впечатление, и я сразу же почувствовал, что это, возможно, как раз та спасительная идея, в которой так нуждалась физика элементарных частиц».

Искровых камер в то время еще не было, и экспериментаторы не знали, как им приступить к изучению только что открытых и озадачивших всех странных частиц — каонов и гиперонов. Ясно: чтобы исследовать такую реакцию, где при взаимодействии отрицательных пи-мезонов с протонами рождаются две нейтральные странные частицы, физику просто необходимо все увидеть своими глазами с начала и до конца. То есть найти то место, где обрывается след пи-мезона и через некоторый промежуток появляются две «вилки» из следов о заряженных частиц, на которые распадаются странные нейтральные частицы.

А проблема нейтрального сигма-гиперона? Именно реакция его распада послужила предметом шутки В. Вайскопфа на одной из научных конференций. Известный теоретик вызвал в аудитории веселье, показав абсолютно чистую фотографию, сделанную в камере Вильсона, и сказав, что она является доказательством распада новой нейтральной частицы сигма-гиперона на две другие, тоже нейтральные. Эта шутка хорошо отражала беспомощность экспериментаторов перед такого рода реакциями до изобретения пузырьковой камеры.

Фотографические эмульсии для изучения реакций, в которых есть обрыв — пустой промежуток, соответствующий пролету нейтральных частиц, — не годятся. Не годился и первый удачный трековый детектор: уже знакомая нам камера Вильсона.

Ее роль в истории познания микромира огромна. Еще в начале нашего века некоторые физики сомневались в существовании не только элементарных частиц, но даже и атомов. Камера Вильсона, в которой можно было видеть следы отдельных заряженных частиц и ионизированных атомов, положила конец всяким сомнениям. Н. Бор в письме к Э. Резерфорду прекрасно передает впечатления физиков того времени, впервые своими глазами увидевших превращение атомного ядра: «Когда узнаешь, что протон и ядро лития просто соединяются в альфа-частицу, чувствуешь, что это не могло быть иначе, хотя никто не отваживался так думать».

Экспериментаторы и по сей день не расстаются с этим прибором, но используется камера Вильсона для ограниченного круга задач. Пар, который в ней находится, имеет небольшую плотность, поэтому вероятность взаимодействия, например, отрицательных мезонов с протонами в объеме камеры очень мала.

Вот такая ситуация царила в экспериментальной физике в момент создания Д. Глазером нового трекового прибора — пузырьковой камеры. Коротко о ее принципе. В перегретой жидкости, находящейся в камере, пузырьки пара очень быстро растут вдоль пути пролетающей заряженной частицы. Они высаживаются на «шлейфе» из электронов и ионов, который оставляла за собой эта частица.

Камеру можно было наполнять разными жидкостями, подбирая их так, чтобы происходили те реакции, которые изучаются. Для исследования взаимодействия разных частиц с протонами камера наполнялась жидким водородом, который имеет значительную плотность. И в жидком водороде камеры можно было наблюдать всю цепочку реакции — от рождения и до распада любой элементарной частицы.

Пузырьковые камеры стали популярнейшим прибором во всех лабораториях мира. И нетрудно догадаться почему. Когда ускорители были менее мощными, в ядерных реакциях одновременно рождались две или три частицы. За ними всегда можно было уследить с помощью нескольких сцинтилляционных счетчиков. Но теперь, при больших энергиях, появилась возможность исследовать процессы множественного образования частиц — от пяти до четырнадцати разных наименований. В этом случае пузырьковые камеры — наиболее подходящий инструмент.

Во время беседы с Л. Альварецом на съезде американского физического общества Д. Глазер показал ему свои первые фотографии пузырьковых треков, полученные в стеклянном баллоне диаметром около 1 сантиметра и длиной в 2 сантиметра, заполненном диэтиловым эфиром. А уже спустя четыре года заработала пузырьковая камера диаметром 180 сантиметров.

Резонансы, успевающие пройти до распада путь в несколько ядерных радиусов, редкие реакции с рождением странных частиц — все это оказалось доступным «зоркому оку» пузырьковой камеры, непрерывно всматривающемуся в жизнь микромира. В 1960 году открытие Д. Глазера было отмечено Нобелевской премией.

Именно в двухметровой пузырьковой камере Брукхейвенской лаборатории был обнаружен знаменитый омега-минус-гиперон, что так сильно подняло акции авторов восьмеричного пути. В 1970 году в Аргоннской лаборатории специально для экспериментов с нейтрино была запущена жидководородная камера 3,6 метра длиной. Год назад во французском ядерном центре в Сакле была создана пузырьковая камера диаметром в 4,7 метра.

Современная пузырьковая камера — это завод с обширным вакуумным, энергетическим, газовым и электронным хозяйством. Прибор для исследования мельчайших кирпичиков материи концентрирует в себе все новейшие достижения физики низких температур, криогенной техники, растровой оптики и многих других разделов науки и техники.