Физика на расстоянии

В конце апреля 1953 года на съезде американского физического общества во время ленча в саду гостиницы познакомились два будущих лауреата Нобелевской премии - уже

известный физик-экспериментатор Л. Альварец и никому не известный Д. Глазер очень сожалел, что никто не услышит его десятиминутного сообщения, потому что оно будет самым последним докладом на съезде.

"В то время, время тихоходных самолетов, - вспоминал Л. Альварец, - последний доклад на съезде слушало еще меньшее число людей, чем сейчас (если это только возможно). Я допускал, что, быть может, тоже не буду присутствовать на этом докладе, и попросил его объяснить мне то, о чем он собирается рассказывать. Так я впервые услышал от Д. Глазера об изобретении им пузырьковой камеры. Его работа оказала на меня сильнейшее впечатление, и я сразу же почувствовал, что это, возможно, как раз та спасительная идея, в которой так нуждалась физика элементарных частиц".

Искровых камер в то время еще не было, и экспериментаторы не знали, как им приступить к изучению только что открытых и озадачивших всех странных частиц - каонов и гиперонов. Ясно: чтобы исследовать такую реакцию, где при взаимодействии отрицательных пи-мезонов с протонами рождаются две нейтральные странные частицы, физику просто необходимо все увидеть своими глазами с начала и до конца. То есть найти то место, где обрывается след пи-мезона и через некоторый промежуток появляются две "вилки" из следов o заряженных частиц, на которые распадаются странные нейтральные частицы.

А проблема нейтрального сигма-гиперона? Именно реакция его распада послужила предметом шутки В. Вайскопфа на одной из научных конференций. Известный теоретик вызвал в аудитории веселье, показав абсолютно чистую фотографию, сделанную в камере Вильсона, и сказав, что она является доказательством распада новой нейтральной частицы сигма-гиперона на две другие, тоже нейтральные. Эта шутка хорошо отражала беспомощность экспериментаторов перед такого рода реакциями до изобретения пузырьковой камеры.

Фотографические эмульсии для изучения реакций, в которых есть обрыв - пустой промежуток, соответствующий пролету нейтральных частиц, - не годятся. Не годился и первый удачный трековый детектор: уже знакомая нам камера Вильсона.

Ее роль в истории познания микромира огромна. Еще в начале нашего века некоторые физики сомневались в существовании не только элементарных частиц, но даже и атомов. Камера Вильсона, в которой можно было видеть следы отдельных заряженных частиц и ионизированных атомов, положила конец всяким сомнениям. Н. Бор в письме к Э. Резерфорду прекрасно передает впечатления физиков того времени, впервые своими глазами увидевших превращение атомного ядра: "Когда узнаешь, что протон и ядро лития просто соединяются в альфа-частицу, чувствуешь, что это не могло быть иначе, хотя никто не отваживался так думать".

Экспериментаторы и по сей день не расстаются с этим прибором, но используется камера Вильсона для ограниченного круга задач. Пар, который в ней находится, имеет небольшую плотность, поэтому вероятность взаимодействия, например, отрицательных мезонов с протонами в объеме камеры очень мала.

Вот такая ситуация царила в экспериментальной физике в момент создания Д. Глазером нового трекового прибора - пузырьковой камеры. Коротко о ее принципе. В перегретой жидкости, находящейся в камере, пузырьки пара очень быстро растут вдоль пути пролетающей заряженной частицы. Они высаживаются на "шлейфе" из электронов и ионов, который оставляла за собой эта частица.

Камеру можно было наполнять разными жидкостями, подбирая их так, чтобы происходили те реакции, которые изучаются. Для исследования взаимодействия разных частиц с протонами камера наполнялась жидким водородом, который имеет значительную плотность. И в жидком водороде камеры можно было наблюдать всю цепочку реакции - от рождения и до распада любой элементарной частицы.

Пузырьковые камеры стали популярнейшим прибором во всех лабораториях мира. И нетрудно догадаться почему. Когда ускорители были менее мощными, в ядерных реакциях одновременно рождались две или три частицы. За ними всегда можно было уследить с помощью нескольких сцинтилляционных счетчиков. Но теперь, при больших энергиях, появилась возможность исследовать процессы множественного образования частиц - от пяти до четырнадцати разных наименований. В этом случае пузырьковые камеры - наиболее подходящий инструмент.

Во время беседы с Л. Альварецом на съезде американского физического общества Д. Глазер показал ему свои первые фотографии пузырьковых треков, полученные в стеклянном баллоне диаметром около 1 сантиметра и длиной в 2 сантиметра, заполненном диэтиловым эфиром. А уже спустя четыре года заработала пузырьковая камера диаметром 180 сантиметров.

Резонансы, успевающие пройти до распада путь в несколько ядерных радиусов, редкие реакции с рождением странных частиц - все это оказалось доступным "зоркому оку" пузырьковой камеры, непрерывно всматривающемуся в жизнь микромира. В 1960 году открытие Д. Глазера было отмечено Нобелевской премией.

Именно в двухметровой пузырьковой камере Брукхейвенской лаборатории был обнаружен знаменитый омега-минус-гиперон, что так сильно подняло акции авторов восьмеричного пути. В 1970 году в Аргоннской лаборатории специально для экспериментов с нейтрино была запущена жидководородная камера 3,6 метра длиной. Год назад во французском ядерном центре в Сакле была создана пузырьковая камера диаметром в 4,7 метра.

Современная пузырьковая камера - это завод с обширным вакуумным, энергетическим, газовым и электронным хозяйством. Прибор для исследования мельчайших кирпичиков материи концентрирует в себе, все новейшие достижения физики низких температур, криогенной техники, растровой оптики и многих других разделов науки и техники.

Каждое такое устройство создается в течение многих лет большими коллективами научных сотрудников, специалистов-криогенщиков, инженеров и техников.

Треки, возникающие в жидком водороде камеры, фотографируются через окна, сделанные из оптического стекла, весящего несколько сотен килограммов. Когда строились первые камеры, проблема большого окна порой казалась непреодолимой. Л. Альварец, один из создателей первых больших пузырьковых камер, вспоминал: "Как-то, просматривая перечень докладов, представленных на недавнюю конференцию по криогенной технике, я обнаружил среди них один, который гласил: "Большое стеклянное окно для наблюдения за жидким водородом". Сжигаемый нетерпением, я бросился разыскивать сам доклад, но в нем описывался металлический сосуд Дьюара с окном диаметром... в один дюйм!"

В лаборатории высоких энергий ОИЯИ в Дубне создана двухметровая жидководородная пузырьковая камера. "Людмила" - так назвали эту установку физики -- потребовала напряженной работы большей части сотрудников всей лаборатории. По финансовым и трудовым затратам "Людмила" в 5-10 раз превышает затраты на сложный экспериментальный комплекс для работы с нейтральными ка-мезонами.

Зажатая в большом магните, окруженная со всех сторон многочисленными трубами и трубками, вспомогательными конструкциями, камера, скажем прямо, не производит особенно приятного впечатления. Не мудрено, что один из присутствующих на ее открытии спросил: "Зачем поэтическим именем назвали такое чудовище? Может быть, здесь сыграли роль те же соображения, по которым самыми красивыми женскими именами называют ужасные тайфуны южных морей?"

Директор лаборатории высоких энергий профессор А. Балдин объяснил это имя так: "Название камеры "Людмила" возникло более или менее случайно, но оно многим понравилось: "Людмила" - "милая людям". Мы хотим, чтобы "Людмила" приносила людям много радости научного творчества и настоящих крупных научных результатов".

Первого января 1970 года "Людмилу" в первый раз начали заполнять жидким водородом. Редкий эксперимент в области физики высоких энергий не нуждался в большом участии специалистов- криогенщиков. А в создании жидководородной пузырьковой камеры их участие было решающим. Поэтому первый пуск "Людмилы" проходил под руководством сотрудников криогенного отдела. Его начальник, доктор технических наук А. Зельдович, с почти документальной точностью описал самый волнующий момент запуска камеры:

"Камера почти полна. Стоп! Опять закупорка. Меняем фильтр. При первом запуске всегда что-нибудь "летит". Продолжаем заливку. Начинают путаться дни и ночи. Наконец появился уровень жидкого водорода и достиг верхнего стекла. Запираем камеру. Греем. Дальше опять закупорка, и еще одна. Потом пришлось срочно перепаивать в пульте управления. И, наконец, включаем камеру на цикл. Два сотрудника упорно высматривают треки глазом. Но вот кончается монтаж системы фотографирования, и начинается съемка. Первый пробный кусок пленки. В оперативном журнале появляется запись: "8 января, 14.20, Шафранов обнаружил на пленке треки!!!" Все ходят счастливые. Выполнена программа-максимум. Устанавливаем еще один экспериментальный факт - пробка от шампанского до потолка не долетает, только до мостового крана".

В феврале 1971 года камеру начали демонтировать для перевозки в Серпухов, в Институт физики высоких энергий. В течение полугода продолжался до предела напряженный труд по демонтажу, перевозке и сборке "Людмилы". Иногда до семи грузовиков в день отправляли из Дубны и соответственно принимали в Серпухове сотрудники отдела водородных камер.

Начальник установки вздохнул облегченно, когда в окно камеры благополучно вставили 700-килограммовое оптическое стекло. В сентябре "Людмила" возродилась из отдельных деталей на новом месте. Начались водородные испытания. Ученым предстояло вторично вдохнуть в камеру жизнь.

"Первым впечатлением, - вспоминал А. Балдин, - оставшимся у большинства людей, ознакомившихся с системами камеры, было: "Не может быть, чтобы это бесконечное число узлов и соединений безотказно работало, - слишком оно велико".

"Во всяком случае, не может быть, чтобы после сборки все сразу заработало, - так не бывает" - это уже мнение некоторых известных специалистов, высказанное в категорической форме.

Но сразу, "без дыма", как иногда случается, заработал электромагнит - одна из наиболее крупных и важных частей всей установки. Он создает магнитное поле до 30 000 гаусс в шахте объемом 6 кубических метров, куда в "дьюаре" (термосе) опускается водородная пузырьковая камера.

Строго по графику и без сбоев прошел первый пуск камеры. Все системы установки работали безотказно. В конце сентября - начале октября "Людмила" уже работала в пучке протонов с энергией 35 миллиардов электрон-вольт, и на ней были получены первые фотографии ядерных реакций.

Теперь у физиков появились новые заботы: чтобы начать рабочие облучения, надо было прежде всего ликвидировать крупные и мелкие недоделки. Как ни привлекательна для физиков-экспериментаторов большая личина магнитного поля, она становится еще интересней, если точно измерена. Причем измерена в объеме водородной камеры при рабочих условиях - при температуре минус 248° С!

Ленинградские специалисты сконструировали механизм, автономно работающий в корпусе собранной камеры по командам системы телеуправления. Согласитесь, условия работы этого прибора ненамного легче, чем у знаменитого лунохода.

14 января 1972 года в Протвине состоялось официальное открытие жидководородной камеры "Людмила". Академик Н. Боголюбов сказал: "В мире существует всего лишь несколько подобных камер. Однако эта имеет существенное преимущество. Это будет первая крупная установка подобного рода, работающая на самом большом в мире советском ускорителе заряженных частиц в Серпухове. Дубненская жидководородная камера даст возможность институтам и университетам социалистических стран, в том числе и Советского Союза, включиться в исследования элементарных взаимодействий и элементарных частиц при самых высоких энергиях, полученных на гигантском ускорителе. Ученые разных стран смогут получать и исследовать сотни тысяч снимков следов уникальных ядерных "событий".

Возник даже термин - "физика на расстоянии", означающий, что физикой высоких энергий могут заниматься не только те, кто непосредственно работает на крупнейших ускорителях и установках, подобных "Людмиле". В пузырьковой камере, напоминающей завод не только по технической сложности, но и по количеству "продукции", делаются миллионы снимков в год, на которых "бесстрастно" и "непредвзято" - без всякого отбора - зафиксированы все элементарные частицы, попавшие в камеру, и все, что с ними произошло в ее объеме.

После первичной обработки этих фотографий на специальном просмотровом автомате вся содержащаяся в них информация записывается на магнитную ленту. В таком удобном виде "полуфабрикаты" информации, поступающие из большой камеры или из такого эксперимента, как опыт по проверке теоремы Померанчука, можно уже рассылать в самые различные институты. В этом факте видно рождение нового способа исследований как бы на расстоянии. "Физика на расстоянии" - так иногда называют сейчас этот способ - сможет в недалеком будущем приблизить к передовому фронту науки гораздо больше людей, занимающихся изучением микромира.

Ученый, работающий за многие тысячи километров от Серпухова, сможет обнаружить новые частицы, ядерные реакции или неизвестный раньше тип взаимодействия между элементарными частицами.