Приключения Мистера Томпкинса

Тяжелые мезоны физики обозначили греческой буквой пи и назвали пионами, а легкие — греческой буквой мю и назвали мюонами. Пионы рождаются на границе атмосферы при столкновении протонов очень высокой энергии с ядрами газов, образующих воздух. Но пионы очень нестабильны и распадаются, прежде чем достигнут поверхности Земли, на мюоны и нейтрино (самые загадочные из всех частиц), которые не обладают ни массой, ни зарядом, а только переносят энергию. Мюоны живут несколько дольше, около нескольких микросекунд, поэтому они успевают достигнуть поверхности Земли и распадаются на наших глазах на обычный электрон и два нейтрино. Существуют также частицы, обозначаемые греческой буквой ка и называемые каонами.

— А какие из частиц используют эти гейши в своей игре? — поинтересовался мистер Томпкинс.

— По-видимому, пионы, скорее всего нейтральные (они играют наиболее важную роль), но я не вполне уверен. Большинство новых частиц, открываемых ныне почти каждый месяц, настолько короткоживущие, даже если они движутся со скоростью света, что распадаются на расстоянии нескольких сантиметров от места рождения, и поэтому даже чувствительные приборы, запускаемые в атмосферу на шарах, «не замечают» их.

Но теперь у нас есть мощные ускорители частиц, способные разгонять протоны до столь же высоких энергий, какие те достигают в космическом излучении, т. е. до многих тысяч миллионов электрон-вольт. Одна из этих машин под названием лоуренстрон расположена здесь неподалеку, ближе к вершине холма, и я буду рад показать ее вам.

После непродолжительной поездки на автомашине профессор и мистер Томпкинс подъехали к огромному зданию, внутри которого находился ускоритель. Войдя в здание, мистер Томпкинс был потрясен сложностью гигантского сооружения. Но по заверению профессора, ускоритель в принципе был не более сложен, чем праща, из которой Давид убил Голиафа. Заряженные частицы инжектировались (поступали) в центре гигантского барабана и, двигаясь по раскручивающимся спиралям, ускорялись переменными электрическими импульсами. Движением частиц управляет сильное магнитное поле.

— Мне кажется, я уже видел нечто подобное, — сказал мистер Томпкинс, — когда несколько лет назад посетил циклотрон, который назывался «атомной дробилкой».

— Вы совершенно правы, — подтвердил профессор. — Циклотрон, который вы тогда видели, был изобретен доктором Лоуренсом. Ускоритель, который вы видите здесь, основан на том же принципе, но он может разгонять частицы уже не до нескольких миллионов электрон-вольт, а до многих тысяч миллионов электрон-вольт. Два таких ускорителя были недавно сооружены в Соединенных Штатах. Один из них находится в Беркли (штат Калифорния) и называется бэватрон, поскольку разгоняет частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт. Это чисто американское название, так как только в Америке тысячу миллионов принято называть биллионом. В Великобритании биллионом называется миллион миллионов, и никто в доброй старой Англии еще не пытался достичь столь высоких энергий. Другой американский ускоритель частиц находится в Брукхейвене, Лонг-Айленд, и называется космотрон. Это название несколько претенциозно, так как энергии, достижимые в космическом излучении, часто намного превышают те, до которых разгоняет частицы космотрон. В Европе, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близ Женевы, построены ускорители, сравнимые с двумя американскими ускорителями. В России, недалеко от Москвы, построен еще один ускоритель такого же типа, общеизвестный под названием хрущевтрон. Возможно, что теперь он будет переименован в брежневтрон.

Оглядевшись по сторонам, мистер Томпкинс обратил внимание на дверь, на которой красовалась надпись:

ЖИДКИЙ ВОДОРОД АЛЬВАРЕСА

ВАННОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

— А что за этой дверью? — спросил он.

— О! — ответил профессор. — Видите ли, лоуренстрон производит все больше и больше различных элементарных частиц все большей и большей энергии. Их приходится анализировать, наблюдая траектории и вычисляя массы, времена жизни, взаимодействия и многие другие свойства, такие как странность, четность и т. д. В давние времена для наблюдения траекторий использовалась так называемая камера Вильсона, за создание которой Ч. Т. Р. Вильсон в 1927 г. получил Нобелевскую премию. В то время быстрые электрически заряженные частицы с энергией в несколько миллионов электрон-вольт, исследуемые физиками, пропускались через камеру со стеклянной крышкой, наполненную воздухом, почти до предела насыщенным водяными парами. Когда дно камеры резко опускалось, воздух вследствие расширения охлаждался и водяной пар становился перенасыщенным. В результате некоторая доля пара конденсировалась в крохотные водяные капельки. Вильсон обнаружил, что такая конденсация паров в воду происходит гораздо быстрее вокруг ионов, т. е. электрически заряженных частиц газа. Но вдоль траекторий электрически заряженных частиц, пролетающих сквозь камеру, газ ионизируется. В результате непрозрачные полоски тумана, освещаемые источником света, расположенным на стенке камеры, становятся видимыми на выкрашенном в черный цвет дне камеры. Вспомните снимки, которые я показывал вам на прошлой лекции.

В случае частиц из космических лучей с энергиями, тысячекратно превосходящими энергии частиц, которые мы изучали до сих пор, ситуация иная потому, что треки частиц становятся очень длинными и камеры Вильсона, заполненные воздухом, слишком малы для того, чтобы можно было проследить весь трек частицы от начала до конца, поэтому наблюдению доступна лишь небольшая часть траектории.

Большой шаг вперед был недавно сделан американским физиком Дональдом А. Глезером, которому в 1960 г. была присуждена за это Нобелевская премия. Как рассказывает сам Глезер, однажды он сидел в баре и угрюмо наблюдал за пузырьками, поднимавшимися в стоявшем перед ним бокале пива. Внезапно ему пришла в голову идея: «Если Ч. Т. Р. Вильсон мог изучать капельки жидкости в газе, то почему бы мне не заняться изучением пузырьков газа в жидкости?»

— Не стану вдаваться в технические детали, — продолжал профессор, — и касаться трудностей, возникших на пути к техническому воплощению идеи Глезера. Вам все равно они были бы непонятны. Скажу только, что для надлежащего функционирования пузырьковой камеры (такое название получило изобретение Глезера) наиболее подходящей жидкостью оказался жидкий водород, температура которого составляет около двухсот пятидесяти градусов по Фаренгейту ниже температуры замерзания воды. В соседней комнате стоит большой контейнер; построенный Луисом Альваресом и заполненный жидким водородом. Обычно его называют «ванной Альвареса».

— Бр-р-р! — поежился мистер Томпкинс. — Для меня холодновато!

— Вам вовсе не нужно лезть в ванну. Вполне достаточно наблюдать за траекториями частиц сквозь прозрачные стенки.

Ванная функционировала как всегда, и камеры со вспышкой, расположенные вокруг нее, непрерывно делали снимок за снимком. Сама ванна была помещена внутри большого электромагнита, изгибавшего траектории частиц, чтобы затем по изгибу экспериментаторы могли оценивать скорость их движения.

— Производство одного снимка занимает несколько минут, — пояснил Альварес. — В день получается до нескольких сотен снимков, если установка не выходит из строя и не требует какого-нибудь ремонта. Каждый снимок подвергается тщательному изучению, все треки анализируются, а их кривизна тщательно измеряется. Анализ и измерения занимают от нескольких минут до часа в зависимости от того, насколько интересен снимок и насколько быстро справляется с работой девушка.

— Почему вы сказали «девушка»? — прервал его мистер Томпкинс. — Разве это чисто женское занятие?

— Разумеется, нет, — ответил Альварес. — Многие из наших девушек в действительности мальчики. Но когда мы говорим о тех, кто занимается обработкой снимков, то называем их девушками независимо от пола. Термин «девушка» означает единицу эффективности и точности. Когда вы говорите «машинистка» или «секретарь», то обычно представляете себе женщину, а не мужчину. Так вот, для анализа всех снимков, получаемых в нашей лаборатории, нам понадобились бы сотни девушек, что превратилось бы в нелегкую проблему. Поэтому мы рассылаем множество наших снимков в другие университеты, не имеющие достаточно средств, чтобы построить лоуренстроны и пузырьковые камеры, но располагающие суммами