Беседы об атомном ядре

Мезорентгеновские фотоны, которые мю-мезон испускает при перескоках между несколькими самыми глубокими последними орбитами, несут в себе все богатство его электромагнитных «впечатлений» от ядра. Очень важно уметь «выжать» эти впечатления всего из двух измеряемых на опыте характеристик рентгеновского излучения: энергии и интенсивности.

Вот как находится, например, теоретическая зависимость энергии этого излучения от размера ядра в шутливом изложении самих физиков.

Сначала теоретик воображает себе ядро в виде некоего заряженного облака. И не только в голове, но и на бумаге, в математическом виде. Подобным же образом движущийся в ядре мю-мезон представляется ему в виде размазанного желеподобного объекта. А когда это облако и желе, сдобренные такими «приправами», как теория относительности и спин (механический момент количества движения), «засыпаются» в электронную счетную машину, то наружу выскакивает долгожданный результат: зависимость энергии рентгеновских лучей от радиуса ядра.

Первые же эксперименты с мезоатомами, выполненные четверть века назад, внесли чрезвычайно важный вклад в ядерную физику. По энергии мезорентгеновских лучей впервые с большой точностью физикам удалось «измерить» тяжелые ядра. Их радиусы оказались на 30 процентов меньше тех значений, что фигурировали в тогдашних таблицах и учебниках.

И сейчас этот метод не уступает по точности методу измерения радиуса ядер по рассеянию электронов больших энергий. Кроме того, мезонный инструмент обходится ученым дешевле, чем гигантский ускоритель электронов. Но сравнение этих двух методов теряет всякий смысл, когда речь идет об исследовании деталей структуры ядра.

Длительный контакт мю-мезона с ядерным веществом приводит к неожиданным последствиям. Быстро выдергивая лист бумаги из толстой стопки, мы не нарушаем расположения остальных листов, вытягивая же его медленно, можно сдвинуть с места и всю стопку. Электрон, проскакивая через ядро, не успевает повлиять на распределение в нем протонов. А мю-мезон, двигаясь по орбите, расположенной в самом ядре, немного искажает истинное расположение зарядов. Это перераспределение нуклонов, в свою очередь, воздействует на мю-мезон, и он становится регистратором уже новых, изменившихся свойств ядерного вещества.

Теоретики уже различают некоторые виды этих очень небольших, очень тонких, но чрезвычайно важных для исследования структуры ядра эффектов, которые накладывают свой отпечаток на мезорентгеновское излучение, «просвечивающее» ядро.

— Интересно, напоминает ли эта рентгеновская установка для просвечивания ядра ту, которая работает в обычном рентгеновском кабинете?

— Нет. Физикам не нужны источники рентгеновских лучей. Они регистрируют уже готовые рентгеновские фотоны, испускаемые экзотическими атомами, и обходятся поэтому только приемниками лучей. В экспериментальном зале ускорителя такой приемник даже трудно заметить.

— Значит это совсем простая установка?

— Простая по форме, но сложная по содержанию.

Все своеобразие экспериментов с экзотическими атомами заключается не в создании необычной, громоздкой аппаратуры, какая необходима физике элементарных частиц, а в достижении чрезвычайно высокой точности при измерении энергии. Главная забота экспериментаторов состоит в том, чтобы не потерять ни одного бита информации, закодированной в энергии и интенсивности мезорентгеновского излучения.

Для этой цели ученым не нужны ни большие магниты, ни громадные баки черенковских счетчиков, с помощью которых выделяют частицы, движущиеся почти со скоростью света. Энергия рентгеновских лучей относительно мала. В атомах разных элементов она меняется в интервале всего лишь от единиц до сотен и тысяч килоэлектрон-вольт. Наиболее чутким прибором для регистрации квантов такой энергии зарекомендовал себя германиевый полупроводниковый детектор.

В обычном германиевом счетчике при всем желании почти невозможно найти ничего такого, что могло бы поразить наше воображение. Состоит он из небольшого цилиндрика объемом в несколько десятков кубических сантиметров, сделанного из химически чистого элемента германия. А вот изготовление этого счетчика требует настоящего искусства. В кусочек германия с помощью очень сложной технологии вносится небольшое количество элемента лития. Только после этой процедуры германий приобретает необходимые для прибора свойства.

Но и сам германиевый цилиндрик с вкрапленным в него литием тоже еще не счетчик. Вторая часть прибора — очень сложная, чувствительная и чрезвычайно стабильно работающая электронная аппаратура.