Искра-следопыт

Для начале могу предложить вам любопытный опыт. Пойдите к приятелю и скажите ему: «Слушай, загляни туда, где ничего не видно, и расскажи, что там происходит. Только разгляди получше все невидимое, чтобы описать подробней то, что рассмотреть не удается». Вероятней всего, приятель испугается за ваш рассудок. Успокойте его. И подумайте вместе о ежедневной работе физиков, изучающих микромир, населенный элементарными частицами. Этих частиц много, уже сейчас открыто около тридцати. Частицы невидимы, но их особенности и характер, все события, происходящие с ними, человеку знать необходимо.

Поэтому поиск и исследование элементарных частиц требуют поистине сказочных коллективных затрат ума и воли, трудолюбия и таланта. Идя по нехоженному пути, следопыты-физики создали очень много приборов, помогающих выслеживать и изучать частицы. В этих приборах, как в системе зеркал, отражается жизнь обитателей микромира.

ЧАСТИЦЫ-КИПЯТИЛЬНИКИ

Пузырьковая камера — сосуд, наполненный прозрачной жидкостью. Обычно это сжиженный газ — пропан, водород, ксенон. Пролетающая сквозь жидкость заряженная частица отрывает у встречных атомов электроны. Атом, лишенный одного или нескольких электронов, превращается в положительно заряженный ион. Так на всем пути частицы через жидкость производится ионизация встречных атомов. А оторванные электроны сами становятся микроснарядами. Но далеко они не улетают. Они мгновенно отдают свою энергию, столкнувшись с соседними атомами. Этот местный приток энергии вызовет усиленный нагрев жидкости на всем пути полета частицы. Теперь пора заметить, что одна из стенок нашего сосуда — упругая мембрана, через которую из расположенного рядом специального отсека передается на жидкость значительное давление газа.

Еще до появления частицы открылся клапан, выпускающий часть газа в атмосферу. Давление на мембрану уменьшилось, она распрямляется. И вот пролетела микропутешественница. В камере с резко уменьшившимся давлением нагретый столбик жидкости вскипает, превращаясь в пар.

Сначала крошечные, пузырьки пара стремительно растут. Ярко вспыхивает свет, и траектория частицы фотографируется в виде цепочки пузырьков. Отсюда название камеры — пузырьковая. Влетело несколько микрочастиц — отлично, на фотоснимке несколько следов. Частицы взаимодействуют с веществом камеры — все в порядке: продукты этого взаимодействия — тоже частицы; если они заряжены, то тоже оставляют следы. Камера гостеприимно отмечает всех, кто побывал в ней за так называемое время чувствительности. Это время, в течение которого она готова повесить пузырьки удобного для съемок размера на всем пути только что пролетевших частиц. А потом пузырьки растут и расползаются, и размытый нечеткий след частиц уже никого не интересует.

Время чувствительности пузырьковой камеры велико — несколько миллисекунд, тысячных долей секунды. Цепочки пузырьков рассказывают исследователям массу подробностей о жизни и нравах микропилотов. Недавно с помощью пузырьковой камеры была открыта новая частица — анти-сигма-минус-гиперон, существование которой было предсказано теоретически.

Частица родилась в жидкости камеры при атомной микрокатастрофе — пи-мезон на полном ходу столкнулся с атомом углерода. Чтобы обнаружить это событие, физики сняли и просмотрели десятки тысяч фотографий. Помните, мы говорили об упорстве и терпении следопытов?

СЧИТАЙТЕ ДО МИЛЛИАРДА

На свете нет предмета без каких-нибудь недостатков. И этот раздел я хотел посвятить как раз частным недостаткам пузырьковой камеры, в общем необходимого и отличного прибора. Но мои собеседники — физики-экспериментаторы сказали в один голос: «Нет и нет. То, что в одном опыте — недостаток, в другом оборачивается достоинством. Можно говорить только об особенностях приборов». Ну, что ж, значит об особенностях. С момента, когда жидкость в камере готова вскипеть, и вплоть до закрытия камеры в ней без разбора отмечаются все пролетевшие частицы, все путевые микропроисшествия. Особенность это или недостаток? Давайте разберемся.

Некоторые события в микромире происходят удивительно редко. Живущий на свете всего две миллионных доли секунды мю-мезон, как правило, распадается на электрон и два нейтрино. Однако теоретики давно предполагали, что в одном из ста миллионов случаев мю-мезон может распасться на электрон и гамма-квант. А может быть, и не распадется? Что ж, еще одним отрезком становится короче путь дальнейших поисков. Значит, нужно «совсем немного» — пронаблюдать сто миллионов распадов. А скорее всего — миллиард. Ведь для того, чтобы убедиться в достоверности долгожданного события, надо увидеть его несколько раз.

А может быть, мы сумеем значительно сократить опыт? Будем пропускать через камеру, скажем, сразу по тысяче мезонов. Ого, насколько уменьшится время поиска! Представим себе этого нетерпеливого физика, раз за разом впускающего в камеру целые толпы частиц. Щелкает аппарат. И вот однажды — неужели удача? — что-то очень похожее на следы долгожданного распада промелькнуло на фотоснимке. Но редкостное событие безнадежно запутано следами множества остальных частиц.

«Эх, братцы,— печально скажет физик им вслед.— Вы что же тут наследили? Я вас не просил».

«Ну вот, уже и недоволен, — не останавливаясь, обидчиво возразят мезоны.— Сам виноват. На твоей камере несколько миллисекунд для всех нас горела надпись «Добро пожаловать». Так что теперь не огорчайся».

И понуро разведет руками физик, которому позарез надо отметить редкое событие, не приглашая на него посторонних.

Понимаете, в чем дело? Пузырьковая камера неуправляема. С момента, когда жидкость в ней расширена, она отметит все пролетевшие частицы, все распады, случившиеся в ней, не захлопнувшись, как капкан, только на заданном редком событии. А значит, частицы надо пропускать через нее понемногу, например мезонов штук по десять зараз. И снимать, снимать, снимать. Вот очень простой расчет. Пропуская через камеру даже по десять мезонов, для достаточной достоверности события нам все равно придется сделать сто миллионов фотоснимков. Пусть на каждый уходит всего секунда (не считая времени, которое параллельно со съемками уходит на обработку). Сто миллионов секунд! Больше трех лет непрерывной работы понадобилось бы, чтобы проделать один этот опыт! Но не волнуйтесь, этого никто уже делать не будет. Потому что существует новый прибор — искровая газоразрядная камера с импульсным режимом питания. Названия не надо пугаться. Камера удивительно проста. Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.

Автор: И. Миронов.