Журнал «Вокруг Света» №11 за 2010 год

Чтобы проследить за движением элементарной частицы, надо заставить ее провзаимодействовать с какой-то средой — перегретой жидкостью или переохлажденным паром. Пролетая сквозь такую среду, частица оставляет след (трек). На снимке, полученном с пузырьковой камеры (она помещена в магнитное поле), видны три типа треков: прямые — их оставили незаряженные частицы, спирали — это следы заряженных частиц , отклонившихся в магнитном поле, и вилки, отвечающие распавшимся частицам Дональд Глейзер, будущий нобелевский лауреат, в 1952-м вывернул эту схему наизнанку: он взял не переохлажденный пар, а перегретую жидкость (жидкость становится перегретой, если резко уменьшить давление, тогда ее температура оказывается выше температуры кипения). Она на порядки плотнее газа, поэтому шансы столкнуться с веществом у частицы, влетевшей в такую камеру, резко возрастали. Она оставляет уже не шлейф из тумана, а дорожку из пузырьков. Пузырьковые камеры заправляли жидким водородом, который кипит при –252,78 °C. Поддерживать в камере такую температуру — сложная техническая задача.

След (или трек) может многое рассказать о частице. Длина трека дает представление о ее энергии. Каждое столкновение уменьшает эту энергию на небольшую порцию, пока наконец частица не потеряет способность ионизировать молекулы — в этом месте трек обрывается. Магнит, спрятанный под камерой, закручивает траектории заряженных частиц в спирали, по кривизне которых можно судить о соотношении массы и заряда. Нестабильные частицы распадаются, а родившиеся при этом новые разлетаются под строго определенными углами, образуя «вилки».

По таким следам в пузырьковой камере Gargamelle, установленной на ускорителе в CERN"е, «выследили» переносчиков слабых взаимодействий — знаменитые W- и Z-бозоны. Несколько Нобелевских премий и создание Стандартной модели напрямую связаны с этим открытием.

Физики-ядерщики по большей части уже отправили туманные и пузырьковые камеры в утиль: на современных экспериментальных установках частицы фиксируют уже с помощью не фотоаппаратов, а суперкомпьютеров, подключенных к полупроводниковым детекторам внушительных размеров. Но приборы вроде туманных камер, простые и эффективные, не умерли окончательно, а перекочевали в любительскую науку. Если современные детекторы частиц поражают размерами и ценой (например, ATLAS, детектор Большого адронного коллайдера, — конструкция высотой с девятиэтажный дом и весом 7000 тонн), то туманную камеру (точнее, ее аналог, работающий по сходному принципу) легко собрать своими руками. Спирт (как источник пара), сухой лед (чтобы этот пар охладить), пластиковый ящик, темная бумага — и можно наблюдать треки космических мюонов, не выходя из дому. 

Геодезический велосипед

Надо обладать незаурядной пытливостью, чтобы увидеть в таком нехитром устройстве, как велосипед, нечто, открывающее новые возможности. В 1912 году Вэннивар Буш, на тот момент студент Массачусетского технологического института, придумал, как превратить двухколесное устройство с цепью в революционный геодезический инструмент. Задача геодезии — строить трехмерные карты местности, для чего нужно знать высоту над уровнем моря каждой точки. Посчитать разность высот между двумя пунктами можно, например, следующим образом: разбить весь путь между ними на малые отрезки и, преодолевая очередной, записывать соответствующее приращение высоты (с обоими знаками) и суммировать его с предыдущими.

Буш решил автоматизировать процесс, для чего приделал к велосипеду ящик со сложным механизмом, который по углу наклона велосипеда к горизонту вычислял и суммировал такие приращения. На ленте самописца отображался высотный срез местности — по сути, зависимость высоты , на которой находится велосипед, от пройденного пути. Действующий образец Буш соорудил своими руками, патент ему выдали в декабре 1912-го,  но в коммерческое производство устройство так и не запустили. Геодезисты не захотели отказываться от теодолитов, а теперь перешли на GPS-технологии: приемник по спутниковым сигналам определяет не только свое положение на карте, но и высоту над уровнем моря.