Іскра-слідопит. Продовження.

искрова камера

Фізикам давно був відомий іскровий лічильник. Дві паралельні металеві пластини, на які подано постійну високу напругу. Пролітаюча крізь лічильник частинка створює на своєму шляху колонку іонів між цими пластинами. Вздовж колонки відбувається миттєвий електричний розряд. Пролетіла частинка відмічається, таким чином, короткою іскрою, мікроблискавкою.

Але фізики не поважали цей прилад. Він часто вередував, пробої відбувалися і без участі частинок – від найдрібніших жорсткостей поверхні. Між тим необхідність мати прилад, здатний відзначати наперед задані події, росла і росла. Різні вчені в декількох країнах йшли в одному напрямку.

Старі іскрові лічильники були поставлені один за одним. Вийшов ряд паралельних пластин. Тепер вже ланцюжок мікрохвиль став вказувати траєкторію летючої частинки. Але головне було попереду. Висока напруга стала подаватися імпульсами – на короткий момент відразу після проходження частинки. «Красива ідея», – сказав про цю знахідку один з фізиків. Це дотепне рішення робило прилад керованим. Дійсно, камера весь час була тепер в стані бойової готовності і могла бути включена в будь-яку необхідну мить, безпомилково відзначаючи спалахом розряду траєкторію заданої частинки.

Тепер залишалося змусити частинку просигналити про свою появу в камері, про необхідність подати напругу і зафільмувати її сліди. Щоб зрозуміти, як це було зроблено, давайте трохи відвернемося.

СВІТЛОВА ЕСТАФЕТА

Латинське слово «сцинтилляція» означає мерехтіння, короткий спалах світла. Поставимо на шляху пучка часток пластинку з сірчистого цинку. Мікроснаряди легко проженуть платівку, але, пролітаючи, віддадуть атомам сірчистого цинку частину своєї енергії. Збуджені атоми вдячно відповідять коротким спалахом світла. Це і є сцинтилляція. Дуже багато речовин володіють цією цікавою властивістю.

Крихітні блискітки світла в такому сцинтиляційному лічильнику уловлюються фотомножником, який перетворює їх в електричні сигнали, поки ще мізерно слабкі. Потім ці сигнали подаються на якийсь посилюючий пристрій. От і все. А вже тепер цей крихітний спалах світла, народжений пролітаючою частинкою, може вчинити будь-яку роботу. Він посилений до електричного імпульсу, здатного на що завгодно. А нам і потрібно щось від нього дуже небагато. Він подасть високу напругу на пластини іскрової камери. Так пролітаюча частинка, викликаючи іскорки світла, може привести в дію іскрову камеру. Файно? Ще не дуже. І ось чому.

Фотомножувач посилює спалах світла від частинки, яка щойно пролетіла. А куди вона полетіла, викликавши спалах? Чи вийшла вона з лічильника? Пролетівши через лічильник, чи не минула вона камеру? І чи «наша» це частинка? Може бути, це випадкова мікротуристка, яка побувала тільки в лічильнику. Фотомножувач цього не знає. Він безпристрасно відзначає самий факт появи частинки. «Щойно був спалах світла, – повідомляє він своїми сигналами. – Про решту догадуйтеся самі».

З необхідності знати, куди полетіла частинка, і подробиці її польоту, народився так званий метод збігів. Ось приклад найпростішої схеми збігу. Сцинтиляційні лічильники, які дадуть команду включити високу напругу, ставляться попереду і позаду іскрової камери. Мікроснаряд, що пролетів обидва (обов’язково обидва!) лічильника, викличе подачу напруги. Адже тільки наявність сигналів від обох лічильників означає, що частинка пронеслася і через камеру, яка стоїть між ними! За командою лише одного лічильника напруга не з’явиться. Так потрібна нам частинка, пройшовши камеру, сама ж її і включає, а в камері фотографуються сліди, щойно залишені мандрівницею.

Схеми збігів різні в кожному досліді. Цей метод широко застосовується в ядерній фізиці. Недарма його творець професор Боті був удостоєний Нобелівської премії.

ЧАСТИНКИ НА САМООБСЛУГОВУВАННІ

Отже, за допомогою схеми збігів камера управляється саме очікуваною нами подією. Це відмінно видно на прикладі досліду, проведеного вже зараз фізиками на новій камері; як то кажуть, на прикладі з життя. З життя одного з мешканців мікросвіту – негативно зарядженого пі-мезона. Ця мікрочастинка, потрапляючи у водневу мішень, в абсолютній більшості випадків веде себе однаково.

(Воднева мішень – це посудина з рідким воднем, який обстрілюється мікроснарядами.) Так от, негативний пі-мезон або пронизує мішень наскрізь, або відлітає в сторону, зіткнувшись з ядром водню. Але бувають в житті цих частинок рідкісні випадки, коли все виходить інакше. Після зіткнення з ядром з мішені вилітає вже не один, а два мікропілота – негативний і позитивний пі-мезони. Саме цей випадок і треба б вловити камерою.

Давайте подивимося на малюнок. Іскрова камера стоїть на шляху мезонів, що летять. В схему збігу включені тут три лічильника. Один стоїть попереду, а два інших поруч один за одним – ззаду камери. Між першим лічильником і камерою розташована воднева мішень. Схема спрацює, дозволяючи подачу високої напруги тільки в тому випадку, якщо спалахи світла з’являться одночасно (кажучи точніше, з мізерно малим проміжком у часі) в трьох цих лічильниках. Це означатиме, що з мішені, враженої одним мікроснарядом, вилетіло вже два. Всі звичайні випадки взаємодії схему не «заведуть», їй потрібна одночасність трьох сигналів.

У звичайних випадках, зіткнувшись з ядром водню і не вибивши позитивного пі-мезона, негативні відлетять кудись убік. Мезон, що пролетів мимо, потрапить на особливий лічильник, і на схему буде поданий заборонний сигнал, що страхує від невірного включення. Таким чином, камера спрацює абсолютно безпомилково, виділивши рідкісну подію з величезної безлічі рядових.

У кожному фізичному досліді підбір схеми збігів – це розстановка в певних місцях лічильників, які «опитають» всіх свідків мікропригоди, яка щойно сталася. А відразу після повного збору свідчень свідків камера «переконується», що подія була гідною зйомки і встигає зняти точну картину її слідів.

І ось воно сталося, очікувана рідкісна подія. Частинки пролетіли кілька лічильників і іскрову камеру, «розбудивши схему». На пластини камери подається імпульс високої напруги. Камера ще «пам’ятає» про щойно пролетілу частинку – колонка із зруйнованих іонів тягнеться від пластини до пластини. Час пам’яті – одна мікросекунда. Цього достатньо, щоб встигнути подати імпульс напруги. І вздовж колонок, що йдуть крізь всі іскрові проміжки камери, відбувається електричний розряд. Пунктир з мікроблискавок, червоний в неоні, трохи голубуватий в аргоні, вказує траєкторії частинок. Спалахи світла не треба, яскравість іскри достатня для зйомки.

Все це добре, скажуть мені, але ж частинки, які не зуміли розбудити схему, все одно летять через камеру, теж залишають в ній колонки зруйнованих атомів. Чи не заважають ці непотрібні електрони в момент розряду? Ні. На пластини постійно подано дуже невелику – так звану очищаючу – напругу. Вона, як двірник восени опале листя, швидко і акуратно розтаскує в сторони електрони і іони, утворені раніше пролітаючими частинками. А відразу після розряду очищаюча напруга допомагає знову звільнити іскровий простір. Через частки секунди після проби камера знову готова до роботи.

ЩАСЛИВОЇ ДОРОГИ!

Пам’ятайте, ми говорили про можливий розпад мю-мезона на електрон і гамма-квант? Ця надрідкісна подія начебто має відбуватися в одному зі ста мільйонів випадків. Але ж іскрову камеру, підібравши схему збігів, можна налаштувати на будь-який цікавлячий нас розпад, і тоді вона поставиться абсолютно безпристрасно до звичайного розпаду мезона на електрон і два нейтрино. Тепер залишається пропускати через неї потік літаючих мю-мезонів. До речі, якщо в бульбашкову камеру ми могли запустити відразу тільки десять мезонів, то тут – скільки завгодно, все, що зможе дати прискорювач.

Отже, дослід поставлений. Спеціально виконана іскрова камера в оточенні лічильників, включених в хитромудро підібрану схему збігів, стоїть на шляху пучка мю-мезонів. Життя першого, другого, стотисячного мікропілота закінчуються в цій камері, але установка ніяк не реагує на звичайний розпад. Вже мільйони мю-мезонів перетворилися на електрони і нейтрино, так і не зламавши її байдужості.

Сотні мільйонів… а передбачений теоретиками розпад так і не відбувся. Вчений вимикає камеру. Дослід закінчений. Значить, теоретики помилилися? Цього теж не можна сказати. Адже вони говорили тільки про можливість такого розпаду, а не про те, що він обов’язково повинен відбутися. Пройдено один з тупиків в лабіринті експериментальних пошуків.

І ось ще один цікавий дослід, про який варто розповісти. Він вже можливий. Тепер його можна здійснити. Мікрочастинкам нейтрино дивно пощастило. Якими тільки епітетами не нагороджують її автори нарисів про фізику! Невловиме, загадкове, всеохоплююче, неспіймане – ось далеко не повний перелік її визначень. І дійсно, вона не має заряду, ця частка не міняє свій шлях в електричному та магнітному полі; байдужа до решти жителів мікросвіту, вона майже не вплутується в зіткнення і інші мікропригоди. Величезні товщі речовини вільно пронизують невловимі нейтрино (де вже тут втриматися від барвистого епітета).

Як відомо читачам нашого журналу, нейтрино все-таки були спіймані. А з приходом іскрових камер їх «полонення» полегшується. Уявіть собі, наприклад, що нам потрібно вловити нейтрино, які летять від Сонця. Якби ми вирили глибоку шахту і влаштувалися в підземній лабораторії, то, крім нейтрино, туди не проникла б зверху жодна інша частинка – вони затрималися ще по дорозі. Що ж до нейтрино, то вони могли б дати рідкісні спалахи у величезній кількості, може бути в десятках тонн сцинтилліруючої речовини. Тоді з’явилася б надія виловити кілька космічних нейтрино з гігантського потоку цих частинок, які пронизують Землю. Як бачите, затія вельми громіздка і дорога.

Зате з появою іскрової камери цей дослід набагато спрощується. В шахту не треба тонну за тонною опускати сцинтилліруючу речовину. Досить кількох лічильників, включених в схеми збігу, і іскрових камер. І вже, звичайно, огородження від частинок земної радіації. Іскрова камера зробить «зрячою» сцинтилліруючу речовину.

Нова зброя може бути величезною і портативною. Прилад годиться для робіт з космічними променями в високогірних лабораторіях, він може бути піднятий на супутник або опущений під землю; може працювати з прискорювачем або довгий час терпляче підстерігати заздалегідь задану частку, котра летить в космічних променях. Він зробить можливим прискорити досліди, які раніше були немислимі або тяглися недозволено довго. Попереду нові відкриття на нескінченному шляху пошуку.

Автор: І. Миронов.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *