Молния в коробке

Миновав мишень с ее сложным криогенным хозяйством и двумя пультами управления, мы добираемся до места, где у физиков как будто остается одна-единственная задача. Здесь, в трех метрах от конца мезонного канала, надо просто подсчитать количество короткоживущих нейтральных мезонов, появляющихся из мишени. Их число прямо соответствует разности вероятностей взаимодействия ка-ноль- и анти-ка-ноль-мезонов с водородом. Не правда ли, кажется, ничего сложного здесь нет?

Но тяжелые короткоживущие ка-ноль-мезоны лишь на мгновение появляются из мишени и тотчас же распадаются на более легкие пи-плюс- и пи-минус-мезоны. И в этом главная трудность эксперимента. Теперь надо не просто зарегистрировать две новые частицы, но и доказать, что они ведут свое происхождение от первичного каона - короткоживущего ка-ноль-мезона. А решать эту задачу приходится в присутствии бесчисленного множества посторонних фоновых частиц, летящих как от ускорителя, так и от мишени.

По углу между пи-мезонами и по их энергии можно найти массу частицы-родительницы. Если она совпадает с массой ка-ноль-мезона, значит, вполне вероятно, что эти заряженные частицы те самые, на которые распался каон, то есть пи-мезоны. Для полной уверенности сравнивают направление движения частицы, подозреваемой в идентичности с ка-ноль-мезоном с направлением мезонного пучка, падающего на мишень. Оба эти направления должны совпадать.

Для всех этих измерений нужна такая экспериментальная установка, которая в миллиардные доли секунды среди миллионов частиц "узнала бы" нужные физикам и зафиксировала бы их координаты в пространстве с точностью до долей миллиметра! Хорошо бы еще видеть пролетающие частицы! Конечно, элементарные частицы увидеть нельзя. Но их следы - треки - ученые уже давно научились делать "видимыми" в фотографических эмульсиях. (Эмульсиями с успехом пользовались еще на заре развития физики микромира. С успехом пользуются ими и сейчас. Блок, или, как говорят физики, "ведро эмульсии", будет участвовать в опыте по обнаружению монополя Дирака на ускорителе в ЦЕРНе.)

Но, увы, для проверки теоремы Померанчука такой прибор не подходит, ибо его работой невозможно управлять. В последние годы в физике элементарных частиц появился новый прибор - искровая камера. Многие физические задачи, в том числе и задача с ка-ноль-мезонами, не могли быть решены без применения этого прибора.

Устройство искровой камеры несложно. В герметической коробке, заполненной инертным газом, размещены на некотором расстоянии друг от друга металлические пластинки или проволочки. Заряженная частица, пролетая между пластинками, оставляет за собой сорванные с атомов электроны и заряженные ионы. Высокое напряжение, приложенное к пластинкам, сообщает этим атомным осколкам дополнительную энергию, и они приобретают способность, в свою очередь, выбивать электроны из атомов. Новые электроны и ионы делают то же самое, и в результате образуется лавина - канал из ионизированного газа. Теперь путь разряду открыт, и в тех газовых промежутках, где пролетела частица, происходит пробой: возникают яркие искры, которые и делают путь частицы видимым или доступным для автоматических измерений.

Крупный вклад в развитие этой новейшей методики внесли советские ученые. Им удалось вмешаться в процесс развития разряда. Укоротив высоковольтный импульс напряжения, подаваемого на пластины камеры, они сумели остановить его в стримерной стадии, когда электрическое поле успевает создать только зародыши зарядовых лавин - стримеры. Это дало возможность очень точно измерять координаты трека при прохождении частицы под любым углом к направлению пластин.

За создание стримерной искровой камеры в 1970 году группа ученых Института физики АН Грузинской ССР под руководством Г. Чиковани и совместная группа ученых Физического института АН СССР и Московского инженерно-физического института под руководством доктора физико-математических наук Б. Долгошеина была удостоена Ленийской премии.

Несмотря на все достоинства искровой камеры, искры в ней отмечали путь не только "наших" пи-мезонов, но и любых других заряженных частиц. Как же заставить искровую камеру не реагировать на посторонние частицы?

Единственная возможность состояла в том, чтобы включить ее именно для тех частиц, которые "происходят" от нейтральных ка-ноль мезонов. Почти сорок метров установки для проверки теоремы Померанчука заставлены сложными приборами. Они понадобились для того, чтобы воплотить эту возможность в действительность. Экспериментаторы хорошо представляют себе геометрию траекторий пи-мезонов от распада коротко- живущего ка-ноль-мезона до конца всей огромной установки.

Девять искровых камер до магнита и столько же после него необходимы для достаточно точного фиксирования координат частиц в пространстве. Говоря языком чисел, эта система в состоянии обнаружить изменение в координатах, равное 1 миллиметру, на расстоянии пяти метров!

Но если не управлять работой искровых камер, то они постоянно будут забиты треками фоновых частиц, и найти среди них интересующие нас просто невозможно. С другой стороны, заранее нельзя угадать, какую из частиц, попадающих в установку, надо регистрировать, а какую нет. Необходим хоть какой-нибудь запас времени, чтобы разобраться во всех этих частицах.

Здесь-то и приходит на помощь самое главное качество искровой камеры. Если через нее пролетела заряженная частица, то между ее металлическими пластинами образуется дорожка из ионов и электронов. Но она остается невидимой до тех пор, пока не включено высокое напряжение. В течение миллионной доли секунды пролета частицы расположение атомных обломков в пространстве не успевает измениться. Поэтому камера, включенная даже с такой задержкой, еще способна сделать видимым ее путь.

Итак, у физиков выкроилась целая микросекунда. За это время они должны ухитриться не только опознать "свои" частицы, но и дать приказ о включении искровых камер.