Юрий Чирков - Охота за кварками
1. В охоте научной поймал тот, кто поймал первым.
Второй, третий и последующие "удачливые" охотники в зачет уже не идут.
2. Совершенно неважно, сколько ты поймал. Даже единственного экземпляра "зверя" будет вполне достаточно.
3. Вовсе не обязательно ловить самого "зверя": достаточно его каким-то образом обнаружить - увидеть и сфотографировать (чтоб не сомневались остальные охотники!) или, скажем, найти его след...
Умению детектировать следы невидимых частиц, сделать их заметными для глаза или регистрирующего их аппарата мы обязаны английскому физику, выходцу из Шотландии Ч. Вильсону (1869-1959).
Ученый начинал свою научную карьеру как метеоролог. Его интересовало, как зарождаются в атмосфере облака. Но эти поиски неожиданно завели его совсем в другую область науки.
Ч. Вильсон часто любовался облаками, обволакивающими вершину Бен Невиса - высочайшего горного пика не только Шотландии, но и всей Англии. И уже в лаборатории (Ч. Вильсон был сотрудником Дж. Томсона в Кембридже) пытался в меньшем масштабе воспроизвести это красивое и загадочное тогда явление.
Он поступал так: насыщал водяным паром воздух в небольшой камере, затем быстро выдвигал стенку-поршень камеры, смесь воздуха и водяного пара расширялась, температура ее падала. Воздух в камере переохлаждался, и в ней в любой момент могло начаться выделение капелек влаги. Так можно было имитировать образование облаков.
Однако лабораторные облака, как и естественные, образуются не всегда. Хотя пересыщенный пар находится в крайне неустойчивом состоянии (ученые называют это состояние метастабильным), для образования капелек необходима "затравка", какие-нибудь микрозародыши. Ими могут быть, к примеру, всегда присутствующие в городском воздухе частицы индустриальной пыли. (След самолета в небе - это и есть капельки влаги, которые сконденсировались на частичках недогоревшего топлива, выбрасываемых мотором самолета, и быстро замерзли.)
Ч. Вильсон продолжал экспериментировать, и однажды его осенила счастливая мысль, что зародышами каплеобразования могут стать и ионы воздуха. И доказал это.
Когда заряженная элементарная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек встречных атомов - ионизирует их. Вдоль пути пролетающей частицы выстраивается цепочка ионов. Если частица при этом движется в переувлажненной среде, то на ионах будут возникать капельки влаги. Они начнут быстро расти и достигнут видимых размеров.
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. ГеллМана 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.
