Глава V. Поиски новых путей

§ 12. Некоторые результаты работы на гигантских ускорителях

Несмотря на то, что со времени запуска крупнейших ускорителей на миллиарды электрон-вольт прошло всего несколько лет, наука уже обогатилась благодаря им замечательными результатами. Получив в свои руки столь мощные средства познания свойств материи, какими являются синхрофазотрон и большой линейный ускоритель, физики предприняли на них интереснейшие исследования. Мы коснемся лишь двух из них.

Около тридцати лет назад английский физик Дирак пришел в своих теоретических исследованиях к удивительным выводам: в природе, помимо хорошо изученных отрицательных электронов, должны существовать и положительные электроны, по массе равные обычным и с равным по абсолютной величине зарядом. Результат этот был крайне неожиданным, поскольку положительного электрона в то время никто не наблюдал. Но прошло всего два года и теория Дирака блестяще подтвердилась. Позитрон - положительный электрон - был обнаружен в космических лучах и сфотографирован в камере Вильсона.

Распространяя теорию Дирака на тяжелые частицы, легко прийти к заключению, что и здесь, помимо обычных, легко наблюдаемых ядерных частиц - протона и нейтрона - должны существовать их противоположности. Наряду с протоном должен существовать антипротон - частица с той же массой, абсолютной величиной заряда, той же ядерной активностью, но отрицательно заряженная. Наряду с нейтроном должен существовать в природе антинейтрон. Попытки обнаружить тяжелые античастицы в космических лучах на протяжении двадцати лет кончались неудачей. Понятны поэтому стремления ученых попытаться обнаружить неуловимые частицы с помощью ускорителей, дающих потоки частиц значительно большей интенсивности, по сравнению с космическими лучами. Для того чтобы обнаружить позитрон, нужна энергия не меньше, чем соответствующая двойной массе покоя электрона, т. е. 1,02 Мэв. Для образования антипротона нужна; конечно, в тысячи раз большая энергия. Расчет показывает, что для образования пары тяжелых частиц (протон и антипротон) энергия бомбардирующего нуклона должна быть не меньше 4,3 Бэв. Пока не были построены синхрофазотроны на миллиарды электрон-вольт, нечего было и думать о том, чтобы найти антипротоны. Синхрофазотрон, построенный в США в Калифорнийском институте (его назвали бэватроном), был рассчитан на ускорение протонов до энергии в 6,2 Бэв, т. е. на энергию, достаточную для получения антипротонов.

Рис. 53. Общий вид магнита 'бэватрона' - синхрофазотрона Калифорнийского университета (США), ускоряющего протоны до энергии 6,2 Бэв

Группа физиков под руководством проф. Э. Сегре за несколько лет подготовила сложнейшую аппаратуру, предназначенную для "поимки" антипротонов.

В августе 1955 г. эксперимент по обнаружению антипротонов на бэватроне был успешно завершен. Удалось зарегистрировать 60 случаев прохождения через установку частиц, относительно которых не оставалось никаких сомнений. Это были антипротоны!

Чтобы представить себе всю трудность решенной задачи, нужно обратить внимание на следующий факт. На каждый зарегистрированный антипротон приходилось около 60 000 отрицательных π-мезонов, также проходящих через установку. Необходимо было надежно выделить интересующие экспериментаторов одиночные события на фоне огромного количества мешающих событий. Мы не можем подробно описать замечательные опыты. Поэтому постараемся лишь рассказать оо их идее, на рис. 54 изображена схема опыта для наблюдения антипротонов. Установка состоит из системы последовательно расположенных магнитов и магнитных линз, чередующихся с рядом счетчиков частиц. Протоны, ускоренные в бэватроне до энергии в 6,2 Мэв, бомбардировали медную мишень Т. Система из магнитов и линз обеспечивала возможность выделения в установке пучка отрицательно заряженных частиц, обладающих строго одинаковыми импульсами (p = mv, где m - масса частицы, v - ее скорость). Для того чтобы при известном импульсе определить массу частицы, нужно знать ее скорость. Этой цели и служила система счетчиков. Так как антипротоны отбирались на большом фоне мезонов, измерение скорости пришлось производить различными способами. Несколько слов о счетчиках, сыгравших очень важную роль в эксперименте. Они были двух видов. Одни счетчики- сцинтилляционные (C1, С2, СЗ) - по своему принципу близки к прибору, который использовал Резерфорд в своих первых опытах. Отличие заключается в том, что раньше вспышки отмечались глазом, а теперь их регистрирует очень чувствительное устройство - электронный фотоумножитель. Помимо большого облегчения для экспериментатора, такая замена позволила с огромной точностью (до одной миллиардной доли секунды) фиксировать момент прохождения частицы через счетчик. На этом свойстве сцинтилляционных счетчиков основан первый способ определения скорости частиц. Два счетчика, С1 и С2, отстоят друг от друга на расстоянии 12 м. Это расстояние π-мезон с отобранным импульсом пролетает за 0,4 микросекунды, а более тяжелый антипротон - за 0,51 микросекунды. Радиосхема устроена таким образом, что срабатывает только тогда, когда время пролета частицы между двумя счетчиками С1 и С2 составляет 0,51 мксек. Так происходит отсев ненужных π-мезонов. Работа другой группы счетчиков Ч-1, Ч-2 основана на открытом советским физиком П. А. Черенковым в лаборатории С. И. Вавилова явлении излучения света электроном, летящим со скоростью большей, чем скорость света в веществе, через которое проходит электрон (природа этого явления была объяснена также советскими учеными И. Е. Таммом и И. М. Франком).

Рис. 54. Схема опыта по наблюдению антипротонов

Свет, излучаемый электроном в счетчике Черенкова так же, как и в сцинтилляционных счетчиках, регистрируется посредством фотоумножителя. Выполняя счетчик из прозрачных материалов, пропускающих свет с различной скоростью, можно делать его чувствительным к частицам, обладающим определенными скоростями. Этим свойством черенковских счетчиков и воспользовались охотники за антипротонами во втором способе отбора частиц по скоростям. Счетчик Ч-1 регистрировал все частицы со скоростью, большей чем 0,79 с (β = ^v/_c = 0,79). Благодаря этому он не реагировал на прохождение антипротонов. Другой счетчик Ч-2 считал частицы определенной скорости (β меньше 0,78, но больше 0,75), как раз той, которой должен обладать антипротон. Радиосхема регистрировала только события, сосчитанные счетчиком Ч-2 и не сосчитанные Ч-1.

Мы описали здесь далеко не всю аппаратуру, примененную в работе. Но из того, что рассказано, можно представить себе сложность эксперимента.

Еще более трудной явилась работа по обнаружению антинейтронов, выполненная совсем недавно на том же ускорителе - бэватроне. Антинейтроны, как и обычные нейтроны, не имеют заряда, поэтому их особенно трудно зарегистрировать. Лишь в одном отношении эта работа была легче первой. После открытия антипротонов существование антинейтронов не вызывало у физиков никаких сомнений.

Мы не будем описывать эти сложнейшие опыты. Заметим, что антинейтроны были обнаружены в процессе их аннигиляции - исчезновения. Известно, что позитроны совместно с электронами образуют γ-кванты. Энергия, выделяемая в таком процессе, составляет ~ 1 Мэв. При аннигиляции антинейтрона с нейтроном образуются π-мезоны. Их и регистрирует счетчик. Указанный процесс зафиксировать очень трудно, так как он весьма редок. Достаточно сказать, что при регистрации 300 антипротонов удается обнаружить всего 1 антинейтрон.

Другие опыты, о которых мы хотим рассказать, выполнены на гигантском линейном ускорителе электронов и связаны совсем с иной проблемой ядерной физики. Еще в первых опытах Резерфорда по рассеянию α-частиц на золоте удалось определить примерные размеры ядер. Но как распределяется заряд внутри ядра? Каковы размеры самого легкого из ядер - ядра водорода- протона? На все эти вопросы до последнего времени наука не давала ответа. В атомной физике обнаружена следующая очень важная закономерность: чем меньше размеры предмета, который необходимо изучить, тем большей энергией должны обладать частицы, посредством которых этот предмет исследуется. Для обнаружения атомного ядра была достаточной энергия α-частиц радиоактивных ядер. Чтобы исследовать протон, потребовались электроны с энергией в сотни Мэв. Естественно, что и размеры аппаратуры возросли во много раз по сравнению с установкой Резерфорда. Пучок электронов с энергией 550 Мэв от линейного ускорителя посредством специальных магнитов смещается относительно своего первоначального положения на несколько метров (рис. 55), попадая на мишень из полиэтилена, содержащую водород. Огромный 40-тонный магнитный спектрометр позволял отбирать только те электроны, которые, рассеиваясь на протонах, изменяли лишь свое направление, не теряя при этом энергию. Поворачивая спектрометр около мишени на различные углы, экспериментаторы измеряли угловое распределение упруго рассеянных электронов и сравнивали его с распределением, рассчитанным теоретически, в предположении, что весь заряд протона сосредоточен в одной точке. Оказалось, что на большие углы отклоняется в девять раз меньше электронов, чем следовало ожидать.

Рис. 55. Опыты по определению размеров протона

Полученные данные позволили найти распределение электрического заряда в протоне. Оно изображено на рис. 56. Мы видим, что эффективный радиус для заряда протона равен приблизительно 0,8*10^-13см. Изучалось также распределение заряда и в более тяжелых ядрах. Оказалось, что распределение заряда примерно постоянно внутри ядра. Но во всех ядрах имеется поверхностный слой, где плотность заряда резко убывает. Радиус любого ядра R можно найти из выражения R=1,07±0,2*A^1/₃*10^-13см. Здесь А - атомный номер ядра.

Рис. 56. Распределение электрического заряда в протоне