В 1912 году Ч. Вильсон сконструировал камеру (она теперь носит его имя), которая сыграла важную роль в изучении нравов микромира. Несколько десятилетий это был практически единственный способ, позволяющий визуально регистрировать ядерные процессы. (В 1927 году Ч. Вильсон получил за это изобретение Нобелевскую премию.)
И все же это дерзость — по следам воссоздавать образ элементарной частицы. Грубо говоря, это похоже на попытку определить по следу только что пролетевшего реактивного самолета его конструкцию. Дерзость? Тем не менее физики давно научились довольно хорошо разбираться в ядерных следах.
След следу ведь рознь. Движущийся электрон оставляет тонкий волнистый след: он легко искривляется, если вблизи траектории оказываются другие электроны. Массивная альфа-частица, наоборот, оставляет прямой и толстый след: это как бы носорог микромира, мчащийся сквозь заросли напролом. Но если на ее пути встретится тоже массивное атомное ядро, альфа-частица изменяет свой путь: в камере Вильсона будет виден резкий излом следа (следы физики называют треками).
Чтобы теперь узнать подробности о заряде ядерной частицы, камеру Вильсона обычно помещают в магнитное поле. Оно искривляет ее путь, превращая его в дугу. Радиус изгиба траектории зависит от величины электрического заряда частицы: чем заряд больше, тем меньше радиус. Направление изгиба (направо или налево) говорит о том, какой у частицы знак заряда — положительный или отрицательный.
Эти знания могут пригодиться и при ловле кварков.
Ведь у них аномально малый заряд: и это хорошая зацепка для ученых-следопытов. Толщина следа, который оставляет частица в камере Вильсона, пропорциональна квадрату ее заряда. Поэтому частица с зарядом 7з — кварк — оставит в 9 раз более тонкий след, чем электрон. Вот по таким «рыхлым», разреженным следам и можно надеяться отыскать кварки среди других жителей микромира.
С мышеловкой на слона
Источником кварков (в опытах по их определению) могут стать космические лучи. Однако метод этот не очень надежен.
Физик-экспериментатор, имеющий дело с не подчиняющимися его воле хаотическими потоками космических лучей, похож на авиаконструктора, который вдруг вздумал для испытания крыла самолета выбрать чистое поле, где, как он надеется, возникнет ветер нужной ему силы и направления. И подобно тому, как авиаконструкторы вынуждены были призвать на помощь аэродинамическую трубу, где режим испытаний строго контролируется, так и физики в конце концов обратились к подчиняющимся их требованиям пучкам частиц, разогнанных в ускорителях. И если к помощи космических лучей прибегают и по сей день, то причина понятна: в космических лучах — а вдруг повезет! — можно встретить частицы с энергиями, которые пока на несколько порядков больше тех, что дают самые крупные из ускорителей.
Погоня за кварками в космических лучах, преследование их в ускорителях — как все это вновь наводит на мысли об охоте обычной. Параллели напрашиваются сами собой.
Охота на лесного зверя официально подразделяется на охоту ружейную и охоту самоловную. И у ученых го же. Пальба в ускорителях — ну чем не ружейная охрга? А ученые, выслеживающие кварки в космических лучах, конечно же, занимаются охотой самоловной: прилетевший из космических глубин кварк попадает в приготовленные для него учеными капканы.
Простейший физический «капкан» — фотопластинка.
Она очень похожа на ту, что применяется в обычных фотоателье, только фотослой здесь особый. Он готовится по специальному рецепту, ибо должен быть крайне высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизирующие повреждения.
К разряду ядерных капканов можно отнести и различные счетчики элементарных частиц. Старейший и, видимо, простейший из них — счетчик Гейгера.
Это газоразрядная трубка, в которой создано сильно неоднородное электрическое поле. При попадании в рабочий объем счетчика ионизирующей частицы образуется электронная лавина: через счетчик течет ток. Это и позволяет вести учет частиц.
Подобное устройство было изобретено Э. Резерфордом и немецким физиком X. Гейгером в 1908 году. Тогда этот прибор был незаменим при исследовании радиоактивности. По импульсам тока можно было подсчитать, что, например, грамм радия в секунду испускает 37 миллионов альфа-частиц.
Физические приборы, использующиеся сейчас для ловли микрочастиц, довольно многочисленны — всех не перечтешь. Добавим сюда еще только уже знакомую нам камеру Вильсона для того лишь, чтобы обратить внимание на ее явные недостатки.
Для ловли кварков камера Вильсона так же мало подходит, как рогатина или духовое ружье плохо вяжутся с современной охотой, где в ход пошли даже вертолеты!
Счетчик Гейгера вышел из моды (правда, его еще используют, например, в биологии, где требования не столь высоки, как при ловле микрочастиц), потому что уж очень он «неповоротлив»: регистрация сверхбыстрых сигналов ему явно не под силу.
А «неповоротливость» камеры Вильсона проявляется в другом. Что можно довольно просто объяснить.
Камеру наполняет газ (пары). Он очень разрежен в сравнении с жидкостями. Поэтому и следы получаются жидковаты, чересчур тонкими. А кварки (пора вспомнить о них) и сами не очень-то следоспособны. Так что ловить кварки в камере Вильсона — это то же, что при охоте на слонов пользоваться… мышеловками.
Для ловли кварков и других необычных частиц требуются средства более надежные. И физика дала их.
Приборы отбились от рук
В 20-е и 30-е годы камера Вильсона все еще была чудом науки. Но требования к измерениям возрастали. Ученые имели дело со все более быстрыми и, главное, короткоживущими частицами. И хотя целое поколение физиков билось над усовершенствованием детища Вильсона, преуспели тут мало.
Революцию в этом деле совершила изобретенная в 1952 году пузырьковая камера. Она справедливо стала сенсацией 60-х годов. С ее помощью был открыт и знаменитый омега-минус-гиперон, упрочивший славу М. Гелл-Мана и торжество кварковой гипотезы.
В двух словах пузырьковую камеру можно представить как камеру Вильсона «наоборот». Вместо капелек жидкости в пересыщенном паре теперь исследователи имеют дело с пузырьками пара в перегретой жидкости.
Жидкость мгновенно вскипает вдоль трека ионизирующей частицы и отмечает его гирляндой мелких пузырьков газа.
Когда пузырьки в камере достигают значительных размеров, камера освещается и следы (они имеют микронные толщины) фотографируются (стереофотосъемка с помощью 2–4 объективов). После фотографирования давление в камере поднимается до прежней величины, пузырьки при этом исчезают, и камера вновь оказывается готовой к действию. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет величину порядка 1 секунды.
Эволюция пузырьковой камеры — от рождения до наших дней — весьма примечательна и характерна. Методические усовершенствования шли гигантскими темпами: началось все с «сургуча и бечевки» (обычное выражение физиков, когда они хотят подчеркнуть, что в прошлом выводили законы с помощью самых простых средств), а закончилось дело тоннами и тоннами материала.
Примером современной установки может служить созданная во Франции для совместной работы с советскими физиками водородная камера «Мирабель», установленная на ускорителе Института высоких энергий АН СССР под Серпуховом. Ее объем 10 кубических метров, общий вес движущихся частей достигает 2 тонн, а стоит она миллионы. Создание подобных устройств — уже дело государственного и даже межгосударственного масштаба.
К чему такие гиганты? Они себя оправдывают, это легко доказать. Заполняющий камеру «Мирабели» жидкий водород представляет собой хорошую (простую и однородную) мишень для частиц, врывающихся в камеру из космоса или из «жерла» ускорителя. Тут пузырьковая камера решительно одерживает верх над ядерными фотоэмульсиями — этим винегретом из водорода, углерода, азота, кислорода, брома и серебра. (Работающие с ядерными эмульсиями физики всегда спорят о том, в какое именно ядро попала частица с высокой энергией.)
