Охотники за частицами

Новый принцип ускорителя можно назвать одним словом: праща. Да, частицы, двигаясь по кругу, наращивают свою скорость так же, как камень в праще.

Гигантские пращи обошли всю мировую печать, под названием синхроциклотронов и синхрофазотронов. Но, с удивленным уважением разглядывая их фотографии, мы обычно не задумываемся над тем, что они действуют по тому же принципу, который открыл наш гениальный первобытный предок.

Не знаю, развлекался ли американец Эрнст Лоуренс когда-нибудь на «колесе смеха». Но путь частицы в придуманном им циклотроне удивительно напоминает путь человека, задумавшего удержаться на этом колесе. Человек чуть ли не инстинктивно становится в центр колеса. Колесо начинает вращаться. И через минуту, описав обыкновенную спираль, наш герой слетает на пол.

Да, прикладывать напряжение по «кусочкам» можно не только на прямой беговой дорожке, но и на дорожке стадиона. Для этого нужно лишь завернуть бегуна.

Наш бегун — заряженная частица. И вы уже догадываетесь — нам это встречалось не раз, — что завернуть частицу можно магнитным полем.

Так оно и есть. Беговую дорожку для частиц Лоуренс поместил между полюсами сильного магнита. Размеры установки сжались. Вместо десятков электродов, как это будет у Видероэ, Лоуренс ограничивается двумя.

У Видероэ именно «будет»: первый циклотрон Лоуренса заработал еще в 1934 году.

Циклотрон. Электроны впускаются в циклотрон между дуантами, а затем, разгоняясь в электрическом поле, описывают по мере нарастания их энергии раскручивающуюся спираль. На последнем ее витке они либо выводятся из ускорителя, либо падают на мишень, установленную внутри ускорительной камеры. Подобным же образом разгоняются протоны и ионы в современных циклотронах. Они служат для изучения ядерных реакций и для искусственного получения ядер трансурановых элементов.

Вот на рисунке вы видите две полые коробки. Называются они дуантами, а выполняют роль электродов. Питает их переменное напряжение. Частота его подобрана так, что частица — например, тот же протон — получает шлепок именно в тот момент, когда она переходит из одного дуанта в другой.

Но протон ведь движется все быстрее и быстрее! Значит, шлепки не будут поспевать за ним? Опасения излишни: протон раскручивается по спирали, как наш весельчак на «колесе смеха». Выше скорость — шире виток спирали, больше пройденный путь — и то же время оборота.

Засеките время, когда мимо вас на колесе промчится человек, и отмечайте это время каждый раз. Вы увидите, что, как бы он ни старался, он будет делать полный оборот за одно и то же время. Только скорость вращения пассажира зависит от скорости колеса, а скорость вращения электрона — от частоты переменного напряжения.

И, наконец, частица вылетает вон из циклотрона, подобно камню из пращи. Что ж, скорость ее довольно велика: протон в циклотроне может набрать энергию до 25 миллионов электрон-вольт. При столь энергичной бомбардировке ядерные реакции идут уже полным ходом. Из ядер летят целые тучи частиц, — и среди них нет ни одной искомой. 25 и 300 миллионов электрон-вольт — слишком далеки они друг от друга!

Но почему только 25 миллионов электрон-вольт? Почему не разгонять те же протоны еще и еще, пока они не наберут желанной энергии? Спираль слишком раскручивается? Усильте магнитное поле, и она сожмется, или же увеличьте диаметр циклотрона. Цель ведь оправдывает средства.

Это верно. Цель оправдывает любые средства. Ради знания глубочайших тайн мироздания сегодня строятся десятки могучих машин, — а каждая такая машина стоит колоссальных денег. «Дороговаты нынче электрон-вольты!» — как-то шутливо заметил один физик, и в этой шутке большая доля правды.

Причина того, что циклотрон не дает частицы с желанной энергией, вовсе не в деньгах, а в… самих частицах. Они — существа упрямые. Первым подметил их упрямство — еще задолго до появления первого ускорителя — Альберт Эйнштейн.

Праща совершенствуется

Дело в том, что частицы, по мере того как их скорость приближается к скорости света, все сильнее сопротивляются дальнейшему ускорению. Проявляют это они единственным доступным им способом: увеличивают свою массу. Это необычайное поведение и предсказала теория относительности.

И это же поведение вызывает самые плачевные последствия в циклотроне. Электрическое поле в нем приготовилось в очередной раз шлепнуть частицу, а та «отяжелела», разленилась и не поспела к шлепку в назначенное время. Шлепок пришелся по пустому месту.