Юрий Чирков - Охота за кварками

Как бы ни интересно и полезно было утвердиться в богатых приморских городах биохимии и физики твердого тела, было бы трагедией прекратить поддержку партий, уже пробивающихся вверх по реке, через пороги физики микромира и космологии к таинственной континентальной столице, где издаются законы страны.

Египетские фараоны жаждали величия даже после своей смерти. Ни средств, ни людей не жалели — возводили гигантские монументы. Крупнейший из них пирамида Хеопса в Гизе — имеет высоту около 150 метров. Но какими жалкими кажутся эти колоссы в сравнении с пирамидами XX века — ускорителями, воздвигнутыми во славу науки и человека.

Когда человечество глазами историков оглянется на бурный и неспокойный XX век и захочет в музеях будущего отвести этому столетию особый отдел, то, видимо, стремясь подчеркнуть грандиозность научных и технологических свершений тех далеких времен, оно поставит там наиболее внушительные по размерам экспонаты, — скажем, макеты космической ракеты, домны, атомной электростанции. Но среди всех этих символов нашего времени, возвышаясь над прочими, будет резко выделяться, бросаясь в глаза, модель самого грандиозного из построенных людьми ускорителя элементарных частиц. Эта модель будет для потомков, без сомнения, столь же значительной и памятной, как собор Парижской богоматери для тех, кто изучает эпоху средневековья.

Микроскопы микромира

Один остроумный журналист, желая показать взаимозаменяемость энергии и материи (точнее, массы, вспомним про формулу Эйнштейна), предложил энергию рассматривать как музыку, а элементарные частицы — как танцоров.

Что происходит в ускорителе?

Если совсем кратко, то тут танцоры способны превращаться в музыку, а музыка — в танцоров!

Рассказывать об ускорителях — значит повествовать о вещах очень необычных. Представим себе такую ситуацию. Кто-то захотел узнать устройство часов. Для этого он берет два будильника и с силой ударяет их друг о друга. Странный подход? Да. Но примерно по тому же принципу действуют и ускорители. (Добавим еще, что вместо россыпи шестеренок тут можно получить вдруг… дедушкины настенные часы!)

А еще — довольно распространенный прием — ускорители принято сравнивать с микроскопом. Это сопоставление обычно проводят примерно по такой схеме.

Говорят, что ускоритель — это исполинских размеров «микроскоп» (кавычки добавляют поневоле: внешне ускоритель мало похож на своего собрата по семье научных приборов). Пучку частиц в ускорителе, продолжают, соответствует световой поток в микроскопе; сложной электронной регистрирующей аппаратуре (детекторы, счетчики, логические и вычислительные устройства) — человеческий глаз, связанный с мозгом; системам формирования и управления пучком разгоняемых в ускорителе частиц (магнитные линзы, коллиматоры, системы коррекции) — оптическая система линз в микроскопе.

Обычные резоны физика, утверждающего близкое родство между ускорителем и микроскопом, таковы. Допустим, мы хотим рассмотреть какой-нибудь предмет, очень мелкий. Освещаем его. Если длина световой волны превышает размеры предмета, он остается невидим. Чтобы его разглядеть, необходимы достаточно короткие волны. Так и с элементарными частицами. Известно, что они не только корпускулы, но и волны. И длина этой волны будет тем меньше, чем больше энергия частицы. Вот и получается: чтобы «прощупать», скажем, сердцевину протона другим протоном, снаряд надо разогнать в электрических и магнитных полях до скоростей, приближающихся к световым.

Но в подобных рассуждениях не следует забывать, что элементарная частица не только волна, а своеобразный гибрид, сочетающий корпускулярные и волновые свойства. Поэтому как далеко может простираться аналогия между разглядыванием предмета в лучах света и зондированием элементарных частиц на ускорителях, сказать трудно.

Да, ускорители словно бы напичканы парадоксами.

Ныне это главное орудие для изучения фундаментальных законов микромира. Но то обстоятельство, что столь большие и сложные устройства необходимы для исследований столь ничтожных малюток, поражает, озадачивает, интригует и настораживает.

Быть может, как выразился один физик, эксперименты, выполненные на этих сверхмашинах, отчасти напоминают… «строительство шоссе для изучения химических свойств бетона»!

Ведь вполне возможно, что наблюдаемые явления (рождение новых частиц, к примеру) могут отражать не столько основные законы, сколько артистическое искусство экспериментаторов.

Что же происходит в ускорителях? В исчезающе малых объемах пространства в мельчайшие отрезки времени при соударениях концентрируются грандиозные порции энергии. (Частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света, никогда ее не достигая, их релятивистская масса растет, и точнее было бы говорить не об «ускорителях», а об «утяжелителях».) Этот сгусток энергии по неизвестным законам и порождает весь тот сонм объектов, незнакомых и странных, который мы — скорее по инерции, чем по существу, — называем элементарными частицами. И вряд ли уместно тут говорить о каком-то расщеплении и представлять себе ускорители этакими «атомодробителями».

А коль так, что ж удивительного, если машины, предназначенные для постройки шоссе, и могут лишь строить шоссе, не более. Казалось бы, было странным, если бы они стали делать что-либо кроме…

Шляпы долой перед экспериментаторами!

С космических высот внимание инопланетян привлек загадочный объект на Земле — огромное, в несколько километров, кольцо. Если бы инопланетяне захотели познакомиться с таинственным кольцом поближе, то под толстым слоем насыпи они обнаружили бы кольцевой коридор-туннель, в котором при желании можно было бы устраивать велосипедные гонки.

Но настоящие гонки увидели бы в расположенной в туннеле вакуумной трубке диаметром в несколько сантиметров. В ней мчится со скоростью, достигающей 99,999 процента от скорости света, пучок протонов…

Один иронически настроенный физик писал так:

«Ускорители, без сомнения, самые крупные из когда-либо существовавших физических приборов. О них любят писать журналисты и поэты. Журналисты рапортуют об их графических ритмах. Поэты пишут о девушках, стоящих у циклотрона. Кинодеятели заставляют этих девушек танцевать на электромагните».

И нам стоило бы написать об ускорителях не главу, а целую книгу. Надо было бы рассказать, как росла мощь ускорителей, их размеры, как они постепенно превращались в своеобразных динозавров техники (нет, мы вовсе не хотим сказать, что, как и древние рептилии, ускорители вскоре вымрут!).

Только в книге достаточно большого объема можно было бы перечислить все типы ускорителей: ускорители линейные, циклические; все эти космотроны, фазотроны, микротроны, бетатроны, синхротроны, синхрофазотроны…

Вникнуть в тонкости ускорителей на встречных пучках.

Рассказать о новейших коллективных методах ускорения заряженных элементарных частиц. Поведать долгую историю совместных поисков физиков и инженеров. Но оставим все это до другого раза, будем говорить лишь о главном.

Возможно, когда-нибудь физикам удастся обнаружить и приручить монополи, эти однополюсные магнитики.

Тогда в ускорительном деле, видимо, произойдет подлинная революция. Ведь под действием сильных магнитных полей монополь мог бы приобрести огромную энергию на очень малых — десятки метров — расстояниях. Сейчас же для этого протону или электрону требуются километры пути.

Отчего так долог путь, а размеры ускорителей столь велики? Да потому, что частицы ускоряются в электрических полях (отсюда и стандартная единица измерения энергии ускоренных частиц — электронвольт, сокращенно эВ: энергия, приобретенная электроном при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). А магнитное поле, не меняя скорости частиц, лишь формирует ее траекторию (обычно это спирали; разработка ускорителей современного типа началась с 1944 года, здесь очень велика заслуга советского академика В. Векслера (1907–1966), он предложил принцип автофазировки, который позволил поднять предел достигнутых энергий частиц сразу в тысячи раз!).

Электрическое поле слабенькое. А физикам сейчас нужны уже не мегаэлектронвольты, МэВ'ы (106 эВ) энергии, а гигаэлектронвольты, ГэВ'ы (109 эВ) и даже тераэлектронвольты, ТэВ'ы (1012 эВ). Требуется все более мощная электронная и протонная стрельба (подсчитано, что энергия пучка протонов в современном ускорителе эквивалентна энергии снаряда весом в десятки килограммов, летящего со сверхзвуковыми скоростями). Обеспечить такие большие энергии слабым электрическим силам затруднительно: поневоле приходится все больше удлинять пути разгоняемых частиц — ускорители становятся все грандиознее.