Загадки микромира

Для всех этих измерений нужна такая экспериментальная установка, которая в миллиардные доли секунды среди миллионов частиц «узнала бы» нужные физикам и зафиксировала бы их координаты в пространстве с точностью до долей миллиметра! Хорошо бы еще видеть пролетающие частицы! Конечно, элементарные частицы увидеть нельзя. Но их следы — треки — ученые уже давно научились делать «видимыми» в фотографических эмульсиях. (Эмульсиями с успехом пользовались еще на заре развития физики микромира. С успехом пользуются ими и сейчас. Блок, или, как говорят физики, «ведро эмульсии», будет участвовать в опыте по обнаружению монополя Дирака на ускорителе в ЦЕРНе.)

Но, увы, для проверки теоремы Померанчука такой прибор не подходит, ибо его работой невозможно управлять. В последние годы в физике элементарных частиц появился новый прибор — искровая камера. Многие физические задачи, в том числе и задача с ка-ноль-мезонами, не могли быть решены без применения этого прибора.

Устройство искровой камеры несложно. В герметической коробке, заполненной инертным газом, размещены на некотором расстоянии друг от друга металлические пластинки или проволочки. Заряженная частица, пролетая между пластинками, оставляет за собой сорванные с атомов электроны и заряженные ионы. Высокое напряжение, приложенное к пластинкам, сообщает этим атомным осколкам дополнительную энергию, и они приобретают способность, в свою очередь, выбивать электроны из атомов. Новые электроны и ионы делают то же самое, и в результате образуется лавина — канал из ионизированного газа. Теперь путь разряду открыт, и в тех газовых промежутках, где пролетела частица, происходит пробой: возникают яркие искры, которые и делают путь частицы видимым или доступным для автоматических измерений.

Крупный вклад в развитие этой новейшей методики внесли советские ученые. Им удалось вмешаться в процесс развития разряда. Укоротив высоковольтный импульс напряжения, подаваемого на пластины камеры, они сумели остановить его в стримерной стадии, когда электрическое поле успевает создать только зародыши зарядовых лавин — стримеры. Это дало возможность очень точно измерять координаты трека при прохождении частицы под любым углом к направлению пластин.

За создание стримерной искровой камеры в 1970 году группа ученых Института физики АН Грузинской ССР под руководством Г. Чиковани и совместная группа ученых Физического института АН СССР и Московского инженерно-физического института под руководством доктора физико-математических наук Б. Долгошеина была удостоена Ленинской премии.

Несмотря на все достоинства искровой камеры, искры в ней отмечали путь не только «наших» пи-мезонов, но и любых других заряженных частиц. Как же заставить искровую камеру не реагировать на посторонние частицы?

Единственная возможность состояла в том, чтобы включить ее именно для тех частиц, которые «происходят» от нейтральных ка-ноль мезонов. Почти сорок метров установки для проверки теоремы Померанчука заставлены сложными приборами. Они понадобились для того, чтобы воплотить эту возможность в действительность. Экспериментаторы хорошо представляют себе геометрию траекторий пи-мезонов от распада короткоживущего ка-ноль-мезона до конца всей огромной установки.

Девять искровых камер до магнита и столько же после него необходимы для достаточно точного фиксирования координат частиц в пространстве. Говоря языком чисел, эта система в состоянии обнаружить изменение в координатах, равное 1 миллиметру, на расстоянии пяти метров!

Но если не управлять работой искровых камер, то они постоянно будут забиты треками фоновых частиц, и найти среди них интересующие нас просто невозможно. С другой стороны, заранее нельзя угадать, какую из частиц, попадающих в установку, надо регистрировать, а какую нет. Необходим хоть какой-нибудь запас времени, чтобы разобраться во всех этих частицах.

Здесь-то и приходит на помощь самое главное качество искровой камеры. Если через нее пролетела заряженная частица, то между ее металлическими пластинами образуется дорожка из ионов и электронов. Но она остается невидимой до тех пор, пока не включено высокое напряжение. В течение миллионной доли секунды пролета частицы расположение атомных обломков в пространстве не успевает измениться. Поэтому камера, включенная даже с такой задержкой, еще способна сделать видимым ее путь.

Итак, у физиков выкроилась целая микросекунда. За это время они должны ухитриться не только опознать «свои» частицы, но и дать приказ о включении искровых камер.

От монолога к диалогу

Насколько же теперь условия работы экспериментаторов отличаются от тех, что были лет тридцать назад!

Тогда между исследователем и прибором шел неторопливый разговор, состоящий из длинных монологов. Помните, как Э. Резерфорд, заполняя камеру поочередно воздухом, азотом, водородом, спокойно подсчитывал количество вспышек от вылетающих из камеры ядер водорода. Д. Чедвик сначала измерял число протонов, выбиваемых нейтронами из парафина, потом убирал парафин и не торопясь убеждался, что теперь протонов нет.