Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 17 страниц)

А если заменить электрон мю-мезоном? Его орбита в атоме в двести с лишним раз меньше электронной! Ядра сблизятся в целых двести раз! И может быть, даже сольются. Тогда произойдет термоядерная реакция.

Физики бросились искать. Столы уже ломились от тысяч фотографий следов, которые оставляли мю-мезоны и образовавшиеся мезоатомы. Нет ли где-нибудь следа развалившегося в термоядерной реакции мезоатома? Первым нашел Луис Альварец из Калифорнийского университета. Все оказалось так, как предсказал Зельдович. Сенсация! Открываются двери термоядерной эпохи!

Увы, сенсация быстро лопнула. Слишком мало мю-мезонов, а главное – ничтожно мал их жизненный срок. То тут, то там они облегчат нужную реакцию, а в целом, в массе вещества о ней и мечтать нечего.

Ядра урана в куске, размеры которого много меньше критических, могут, как мы уже знаем, делиться не только под действием нейтронов, но и сами собой. Однако же нечего и думать устроить на таком делении цепную реакцию. Слишком мал выход, как говорят физики.

Ладно, разочарованно протянули поклонники «термояда». А их коллеги, словно в утешение себе, взяли и сделали новый искусственный атом – мюоний. Только теперь в нем работал положительный мю-мезон и занял он место не электрона, а ядра. А вокруг этого облегченного ядра бегал электрон.

Этот искусственный атом чем-то напоминает позитроний. Только тот кончал жизнь тем, что оба партнера съедали друг друга, а этот умирает более мирно, когда приходит срок жизни мю-мезона. Но и за этот короткий срок мюоний позволил физикам провести интересные опыты.

Ну, а «настоящий» пи-мезон? С ним тоже можно соорудить мезоатомы? Увы, не получится. Ядро с великим удовольствием сажает пи-минус на электронную орбиту, со все возрастающим нетерпением следит за тем, как он перебирается поближе к нему. И жадно пожирает его, даже не дав ему дойти до последней орбиты.

Жадность ядер к пи-мезонам просто невероятна. Это понятно: «своя» частица! И расплата за жадность следует немедленно: ядро взрывается и разлетается веером осколков. На фотопластинке в этот момент «вспыхивает» звезда.

Не беда, что не получился пи-мезоатом. Пи-мезоны нашли себе другие, не менее важные применения. О них нам еще предстоит рассказать.

Глава 7
Нашествие частиц

Первые вестники

В том же 1947 году, когда Пауэлл и Оккиалини открыли пи-мезон, фотографии космических лучей принесли след еще одной частицы. Английским физикам Стюарту Батлеру и Джорджу Рочестеру, прежде чем они натолкнулись на необычный след, пришлось просмотреть несколько тысяч снимков.

Адова работа! Но как приятно, если она прошла не впустую. Если в хаосе переплетающихся следов, оставленных знакомыми частицами, вдруг отыщется доселе не виданный. Ведь это почти наверняка новая частица!

В самом деле, след необычный. Прежде всего, след самой частицы… отсутствует! Вот как? Каким же образом Батлер и Рочестер додумались до частицы, не оставившей следа?

А вот каким. На фотографии была обнаружена «вилка»: два следа, разбегающиеся из одной точки. Что же насторожило в ней физиков? Подобные «картинки» ученые, казалось бы, видели уже не раз. Налетела альфа-частица на ядро, выбила из него протон, сбила с места само ядро – вот и вилка. Это ее и обнаружил Резерфорд в 1919 году. Образовал энергичный фотон пару из зеркальных братьев, электрона и позитрона, – снова вилка.

Но то, что обнаружили Батлер и Рочестер, не походило на уже знакомое. Во-первых, не было никаких признаков следа до вилки: значат, заряженная частица в ее образовании не участвовала. Во-вторых, оба следа вилки были довольно жирными и притом не сильно закрученными. Значит, это были следы не электронов.

Спустя некоторое время, когда физики уже хорошо присмотрелись к следам пи-мезонов, не осталось сомнений в том, что оба зуба вилки принадлежат пи-мезонам.

Может быть, какая-то нейтральная космическая частица влетела в ядро и разрушила его? Нет – тогда бы возникла характерная звезда на снимке. Может быть, пи-мезоны пришли откуда-то снизу и, встретившись, слились? Опять же нет: если б это было так, то в местах их рождения должны были бы случиться одновременно и другие видимые события. Может быть, пи-мезоны могли образоваться в стенках камеры? И это невозможно здесь: следы их начинаются и кончаются в газе, вдали от стенок.

Так один за другим отбрасываются все невероятные варианты. Пока, наконец, не остается один, единственно возможный. Сверху в камеру проникла нейтральная частица. В камере она распалась на два противоположно заряженных пи-мезона: пи-плюс и пи-минус. Это событие произошло в точке, откуда начинаются зубья вилки.

Новую частицу, вероятно из-за сходства созданной ею вилки с латинской буквой V, Батлер и Рочестер нарекают V⁰-частицей. Нулик показывает, что частица нейтральна, не имеет электрического заряда.

Пришедшая сверху нейтральная V⁰-частица распалась на две заряженные – пи-плюс и пи-минус-мезоны. След одного из них внизу сломался: пи-мезон распался на мю-мезон. V⁰-частица газа не ионизировала, а потому не оставила следа в камере.

Проходит немного времени, и вилки появляются на фотографиях других исследователей космических лучей. Великое разнообразие вилок: острых, тупых, двузубых, трезубых!

Не проходило и месяца, как в научных журналах появлялось сообщение об обнаружении новой частицы. Положительные, отрицательные, нейтральные, легче протона, тяжелее протона.

Настоящий шквал открытий! У физиков кружились головы.

Скудный космический заповедник, в котором за предшествующие сорок лет были пойманы лишь позитрон да пи– и мю-мезоны, вдруг превратился в сказочный рог изобилия.

«Помилуйте! Не может такого быть!» – возопили теоретики.

Их призыв не остался без ответа. Экспериментаторы снова засели за свои снимки, снова тщательно проверили свои расчеты.

Вот «старый» снимок Батлера и Рочестера. Два пи-мезона. Можно прикинуть их энергию. Получается, по закону сохранения энергии, что родившая их частица должна быть примерно в тысячу раз массивнее электрона.

А вот другая двузубая вилка. Один след жирный и короткий, другой менее толстый, но зато более длинный.

Длинный след принадлежит протону. Он быстро растратил свою энергию и остановился в газе. После чего, естественно, перестал подавать признаки жизни.

Короткий след интереснее. Он тоже обрывается в газе, но с тем, чтобы дать начало новому следу. Этот последний тоже недолговечен. Пробежав коротенький путь, он в свою очередь ломается. А дальше уже бежит пунктирный заячий след электрона.

Целый каскад следов! Он уже знаком физикам: именно так распадается заряженный пи-мезон. Короткий след, без сомнения, принадлежит ему.

Итак, нейтральная частица распалась на пару из положительного протона и отрицательного пи-мезона. Общая сумма образовавшихся частиц явно больше массы протона. А если к ней добавить еще и часть массы, которая пошла на энергию частиц, то масса родителя оказывается близкой к 2200 электронным.

Физики в самом деле ошарашены. Они и думать не могли, что существуют такие сверхтяжелые частицы!

Новую частицу тоже было пытаются окрестить V-частицей. Но эта буква уже занята. К тому же другие физики полагают, что вилка (она может быть и зубьями вниз) больше похожа на греческую букву Λ – ламбда.

Это обозначение в конце концов побеждает. Видимо, потому, что после открытия пи– и мю-мезонов (π и μ – тоже греческие буквы) греческий алфавит вошел в моду у охотников за частицами.

И вот, наконец, подведен первый итог. Действительно, многие частицы пришлось «закрыть» – еще быстрее, чем они были открыты. И все же, когда схлынули «миражные» частицы, в сетях физиков оказался богатый улов. Целых семь новых частиц!

Положение переменилось. Раньше теоретики предсказывали какую-либо новую частицу на кончике пера, а экспериментаторы потом годами искали ее. Теперь столы теоретиков ломились от свежей дичи. А теоретики, честное слово, не знали, что с ней делать!

Фотография совместного рождения ка-нуль-мезона и ламбда-нуль-гиперона. Отрицательный пи-мезон, столкнувшись с протоном в точке A, родил две нейтральные частицы. Одна из них в точке B распалась на два пи-мезона – положительный (след вверх) и отрицательный (след влево). Отсюда и заключили, что в точку B полетел ка-мезон. Другая частица в точке C распалась на протон и пи-минус-мезон (след последнего искривился в магнитном поле). Эта частица и есть ламбда-гиперон. О попытках объяснить тот факт, что обе V-частицы всегда рождаются вместе, вы можете прочитать в главе 9.

Группа мезонов пополнилась «лихой» тройкой ка-мезонов: положительного (Κ⁺), отрицательного (Κ^–) и нейтрального (Κ⁰). Мы не ради красного словца так окрестили эту тройку. С ней физикам в ближайшие годы предстояло хлебнуть немало лиха. Кстати, Κ⁰-мезон – это та самая V⁰-частица, которую открыли Батлер и Рочестер.

К частицам тяжелее протона (их назвали гиперонами), кроме ламбды, добавились еще две сигмы (Σ⁺ и Σ^–) и, наконец, кси-минус (Ξ^–).

Терпению приходит конец

Да, такой богатый улов не мог не порадовать экспериментаторов. Но – семь частиц на сотни тысяч просмотренных снимков! Это все равно, что миллиграмм радия на тысячи тонн переработанной руды. В конце концов открытие искусственной радиоактивности избавило человечество от каторжного труда по добыче радия.

Может быть, теперь ученые найдут способ извлекать новые частицы каким-то другим путем, – не выуживая их поодиночке из многих миллионов космических частиц? «Земные» физики сочувственно отнеслись к горячей просьбе физиков «космических».

Мы уже познакомились с первыми плодами этого сочувствия – ускорителями заряженных частиц. Генератор Ван-де-Граафа, генератор Кокрофта и Уолтона…

Но эти машины все же не решали проблему, вставшую перед физиками пятидесятых годов. Они разгоняли частицы-снаряды до миллиона, много – до десятка миллионов электрон-вольт. Что же, из ядер вылетали нейтроны, иногда протоны – и ничего больше. Ядра словно откалывались с краев, летели осколки-кирпичики. Но в целом ядерные здания оставались неповрежденными.

Да, нужны были более высокие энергии. В сотни раз более высокие! В этом физиков убеждали довольно простые соображения. Вспомним, как рождаются фотоны. Для этого электронам в атоме тем или иным способом сообщалась энергия, они прыгали на удаленные от ядра орбиты. И, возвращаясь назад, рождали фотоны. Именно фотоны, а не что-нибудь другое: электроны с атомными ядрами связывает электромагнитное поле. И кванты энергии этого поля есть фотоны.

Отныне предстояло такую же операцию провести на ядре. Но извлечь из него нужно было уже не фотоны, а «кванты», отвечающие ядерному полю, – пи-мезоны. Виртуальные мячи для ядерного волейбола должны были стать реально существующими в свободном виде. Тренер, чтобы отобрать мячи у заигравшихся команд и вынести их за пределы площадки, должен был бы, однако, обладать недюжинной силой.

Достаточно вспомнить спор поклонника теории Дирака и ее противника, который мы привели в главе о позитроне. Чтобы виртуальный позитрон стал совершенно реальным и наблюдаемым с помощью приборов, потребовалась энергия, более чем вдвое превышающая его энергию покоя, – около миллиона электрон-вольт.

Сколько же потребуется теперь для пи-мезонов? А во сколько раз пи-мезон массивнее позитрона? В 274 раза? Значит, во столько же раз больше и энергия. Ого, почти триста миллионов электрон-вольт.

«Это для нас столь же недосягаемо, как полет на Луну, – сказали бы физики довоенного времени. – Нечего и надеяться достичь таких энергий в ближайшие десятилетия!»

Жизнь, как водится, опрокинула эти и многие другие, даже менее осторожные прогнозы. Получение колоссальных энергий оказалось делом не многих десятилетий, а всего лишь нескольких лет.

Благодаря, если так можно выразиться, денежной идее.

Можно напечатать денег столько, что их хватит для расчетов на десять лет вперед. А деньги, уплаченные за товар, погашать и выбрасывать. Можно поступить и экономнее: напечатать денег во много раз меньше, но уплаченные за товар деньги не выбрасывать, а снова пускать в оборот. Понятно, чем быстрее они оборачиваются и приходят обратно, тем меньше денежных знаков надо печатать.

Этот остроумный принцип и привлек физиков. В самом деле, генератор Ван-де-Граафа, например, выпускает «деньги» самым неэкономным способом: он всю энергию сразу целиком отдает частице. Ему приходится сразу печатать уйму «денег» – иными словами, получать очень высокое напряжение, которое он все израсходует за один раз.

Почему бы не поступить экономнее: вместо того чтобы один раз разогнать частицу огромным напряжением, разгонять ее много раз небольшими «кусочками» этого напряжения? Идея «денежного обращения» оказалась необычайно плодотворной. Сегодня ее используют почти во всех ускорителях заряженных частиц.

От пушки к праще

В 1938 году швейцарский физик Видероэ построил по этому принципу первый в мире линейный ускоритель. Он отличался от ускорителя Ван-де-Граафа не только сравнительно небольшим напряжением. Труба, в которой Видероэ ускорял частицы, была в десятки раз длиннее, чем у его предшественника.

Оно и понятно. Чтобы приложить напряжение «зараз», особо длинной трубы не требуется. Достаточно лишь, чтобы между электродами, на которые подано высокое напряжение, было такое расстояние, чтобы не происходило пробоя. Для миллиона вольт требовалось несколько метров.

Видероэ разместил вдоль трубы много электродов. Пролетела частица, например протон, через пару электродов, – словно получила шлепок по спине. Шлепок по сравнению с ван-де-граафовым просто нежный. Но таких шлепков он испытает не один, а много.

И с каждым шлепком наращивает протон свою скорость, все быстрее проносится мимо очередной пары электродов. И чем дальше, тем более длинной приходится делать такую пару, чтобы она успела за время пролета мимо нее как следует шлепнуть протон.

Линейный ускоритель. В длинной трубе установлены электроды, дающие «шлепки» частице, когда та пролетает мимо них. Сегодня частицы на таких ускорителях набирают солидную энергию до 2 миллиардов электрон-вольт.

И машина заработала. Ее потомков ожидало большое будущее, но совсем не то, на которое рассчитывали физики. В 1938 году уже победил другой принцип постройки ускорительных машин. Потребовалось экономить не только на напряжении, но и на размерах машины. Ускоритель Видероэ, если его рассчитать на энергию в миллиард электрон-вольт, должен был бы иметь совершенно гладкую и прямую трубу длиною чуть ли не в километр!

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.

И это даже полбеды. После шлепка поле повернулось в обратную сторону. Если теперь частица подойдет к промежутку между дуантами, поле, вместо того чтобы ускорить, напротив, замедлит ее!

Великая вещь – действовать «в такт»! Попробуй-ка раскачай качели, то толкая их, то задерживая. Седоки вряд ли будут довольны.

Но закон есть закон. Обойти его нельзя. Примириться тоже не хочется. В стене перед заветной областью больших энергий стоит поискать лазейку.

И в 1944 году эту лазейку, почти одновременно и совершенно независимо друг от друга, находят советский физик Владимир Иосифович Векслер и американский ученый Эдвин Мак-Миллан. Лазейка называется по-научному «принцип автофазировки».

…Есть такой красивый цирковой номер. На афишах он обычно набирается аршинными буквами: «Дрессированные лошади! Труппа под руководством заслуженного артиста такого-то… Смотрите! Спешите!»

Под звуки бравурного марша на манеж вылетает десяток белых лошадей, за ними, кувыркаясь, выбегают лихие джигиты. И, наконец, не спеша появляется в красивом камзоле дрессировщик с хлыстиком. Лошади бегут по кольцу все быстрее и быстрее, джигиты на полном ходу то вскакивают на спины лошадей, то виснут под брюхом, то снова спрыгивают на землю – быстро, легко, красиво. Одним словом, цирк. А лошади, как ни в чем не бывало, бегут плотным строем.

Вот такой «цирк» и решил устроить Векслер с протонами в циклотроне. Протон, отяжелевший от огромной скорости, подобен лошади, на спину которой вскочил наездник. Быстрее, быстрее летит лошадь – второй, третий наездник влезают на нее, затем на плечи друг другу, – по кругу несется уже целая живая пирамида. А дрессировщик, чтобы лошадь не замедляла своего движения, все чаще подгоняет ее взмахами хлыста.

Электрическое поле – со все возрастающей частотой!

Именно эта мысль пришла в голову Векслеру. Чем больше тяжелеет частица, тем чаще толкает ее поле.

Стоп… Но ведь поле «не знает», насколько отяжелела частица. Частицы не все ведь движутся с одинаковой скоростью. Как же поле умудряется шлепать частицы «в такт»?

Тут-то и начинается самое интересное. В группе частиц, конечно, всегда найдется такая группка, которой «такт» электрического поля вполне подойдет. Но число частиц в этой группе столь невелико, что ради нее не стоило огород городить. А как же остальные частицы?

И тут выясняется, что бегущие частицы не уступают в «слаженности» цирковым лошадям! Забежала одна лошадь вперед или отстала – она тут же замедляет или убыстряет свое движение так, чтобы сохранился плотный строй.

Разумеется, частицы далеко не так дрессированы, как цирковые лошади. Частиц на ходу подправляет само переменное электрическое поле. Забежала частица вперед, набрав большую энергию, значит, на следующем обороте она получит «неполный» шлепок и замедлится. Отстала частица – будет получать шлепки посильнее, пока не попадет «в фазу». Частицы словно сами подгоняют себя в фазу с электрическим полем, – оттого и явление было названо «автофазировкой».

Растущая при ускорении масса частиц перестает быть помехой. С нею вполне справляется поле с переменной частотой. Для этого необходимо лишь менять частоту поля синхронно с увеличением энергии и массы частиц. Как это делается, мы не будем рассказывать. Окончательная частота поля определяется только той энергией, которую вы пожелаете сообщить частицам.

От идеи до конструкции

Удивительно простая и красивая идея! Физики не замедлили ухватиться за нее.

Прошло всего лишь пять лет, и в небольшом подмосковном городке Дубне заработал первый в СССР циклотрон, воплотивший идею Векслера. Физики, желая подчеркнуть, что циклотрон не простой, а особенный, меняющий частоту поля синхронно с набором частицами энергии, окрестили его синхроциклотроном.

Здание синхроциклотрона в Дубне было построено в молодом сосновом лесу. Вокруг него все время ходит ветер. «Разгоняет воздух, чтоб чище работать было», – шутят физики. Здание до половины обложено земляной насыпью. Из-под нее выглядывают толстые бетонные брикеты.

По высокой лестнице поднимаемся на второй этаж. Отодвигается массивная дверь, и мы попадаем в главный зал.

Первое впечатление – как в машинном отделении большого корабля. Кажется, вот-вот донесется с мостика капитанская команда и заработают машины, сотрясая стальной пол. Но сегодня на мостике, находящемся на высоте трехэтажного дома, пусто. Лишь несколько техников работают у огромных насосов, соединенных с тонкой стальной коробкой.

Это – ускорительная камера, втиснутая между полюсами исполинского семитысячетонного магнита. Тут же сбоку пристроился генератор переменного электрического поля.

Теперь можно перейти на другую сторону машины. На коробке видна длинная продольная красная черта, словно шов, только что наложенный хирургом. Операция будто еще не кончена, хирург еще не извлек зондов из раны. Вот они, зонды, – блестящие металлические штанги, уходящие в тело ускорителя.

Красная черта – это тонкая латунная оболочка для вывода из камеры вторичных излучений. А образуются они на самом кончике «зонда», где укреплена мишень.

Пучок протонов, разогнанный до энергии 680 миллионов электрон-вольт, ударяется о мишень – пучки пи-мезонов и других частиц – нейтронов и мю-мезонов – вылетают через тонкое окошко, проносятся через главный зал и сквозь прорубленные в его толстенной стене бойницы проникают в соседний зал, где эти частицы попадают в приборы. Здесь и ведется охота за ними.

Синхроциклотрон в Дубне для разгона протонов до энергии 680 миллионов электрон-вольт. Видна узенькая ускорительная камера, зажатая между полюсами гигантского магнита. Справа в камеру введен «зонд» – металлическая штанга с установленной на конце ее мишенью. Пучок протонов, циркулирующих в ускорителе, также можно вывести наружу и направить на мишень, находящуюся вне ускорительной камеры.

Зачем же все эти массивные двери, стены многометровой толщины, как в средневековой крепости? Тоже для защиты людей – здесь от ядерных снарядов. К космическим лучам мы уже «привыкли»: тысячи частиц ежеминутно пронизывают наше тело, не нанося ему заметного вреда. Но синхроциклотрон ежесекундно образует многие миллиарды «космических» частиц. От них нужна уже серьезная защита. И не только людей, но и установок: иначе все посторонние частицы могут существенно «загрязнить» опыт.

Вот почему и оставлены в толстенных стенах лишь узенькие бойницы для впуска частиц. Вот почему, когда работает ускоритель, людей нет не только в главном, но и в соседних залах. Показания всех приборов передаются на довольно большое расстояние, где в больших и светлых комнатах работают ученые.

Гиганты атомного века

Сильное впечатление оставляет махина синхроциклотрона! Но оно меркнет, когда вы попадаете в главный зал синхрофазотрона. Колоссальная «гофрированная» баранка уже ни в малейшей степени не напоминает своего далекого предка – пращу.

Диаметр баранки шестьдесят метров, вес магнита – 36 000 тонн, вакуум в ускорительной камере очень высокий – давление там в миллиард раз меньше атмосферного, огромная точность сборки секций магнита на всей двухсотметровой длине ускорительной дорожки. Эти цифры убедительно свидетельствуют об уровне техники двадцатого века!

Но даже не они восхищают физика. Десять миллиардов электрон-вольт, вот в чем ключ к той двери, за которой открывается чудесная область новых поразительных открытий. Восемь лет отделяют практический пуск синхрофазотрона от пуска его предшественника – синхроциклотрона в Дубне.

А почему сразу нельзя было сделать машину на десять миллиардов электрон-вольт и даже еще в тысячу раз большую энергию?

Казалось бы, автофазировка не ставит пределов разгону частиц.

Однако не в одной автофазировке дело. Когда голую идею начинают одевать в листы точных расчетов и чертежи реальных конструкций, ее мощь, кажущаяся поначалу такой безграничной, принимает гораздо более скромные размеры.

Попробуйте представить себе знаменитую скульптуру Давида, изваянную гениальным Микеланджело (ее копия есть у нас в Москве, в Музее изобразительных искусств), попробуйте представить себе Давида, одетого в современный пиджак и «стильные» брюки. Что останется от его мощи! «От всей мощи остались одни мощи» – как остроумно заметил один физик, присутствуя при очередном разгроме соблазнительной на вид идеи.

Идее Векслера, конечно, такая участь никоим образом не угрожала. Но ее практическому осуществлению все же имелся предел. Если бы синхроциклотрон спроектировать на те же 10 миллиардов электрон-вольт, то его магнит весил бы ни много ни мало… 20 миллионов тонн! Понятно, что физиков удержало от постройки такой машины столь «весомое» соображение!

Да, беда в том, что вес магнита растет, как куб энергии, до которой разгоняются частицы в этой машине. Слишком быстро растет!

Значит, надо менять конструкцию машины. Магнит столь тяжел потому, что частицы надо ускорять, как говорится, от нуля.

В начале ускорения частицы имеют ничтожные скорости. Затем они раскручиваются по спирали. Диаметр витков все более растет. И на каждом витке за ними должен следить магнит, предупреждая растущее их желание сорваться с магнитной цепи и врезаться в стенки камеры. Оттого-то магнит и должен охватывать всю камеру.

Раскручивающиеся… Это наводит на интересную мысль. Момент, пока лошади выбегают на манеж цирка, для нас ведь не главный. Другое дело, когда они, выстроившись, бегут по кольцу, огибая барьер манежа – вот когда мы глядим в оба.

По кольцу, по кольцу…

Почему бы не заставить и частицы в ускорителе бежать по кольцу? Ускорять их не от нуля, а от уже солидной энергии? Приготовить энергичные частицы в каком-нибудь другом, не таком мощном ускорителе, а затем «впрыснуть» в основной? И магнит можно будет взять куда легче, и поле его можно будет сделать побольше!

Так родилась идея синхрофазотрона. А вещественным ее воплощением стали дубненская и ряд других аналогичных машин.

В дубненском агрегате ускорение протонов происходит в три этапа.

Протоны, получаемые, как обычно, при разложении водорода, выходят в трубку, между электродами которой приложено напряжение 600 тысяч вольт. Затем они поступают в линейный ускоритель (того типа, который когда-то сделал Видероэ), где набирают энергию в девять миллионов электрон-вольт.

И только после этого впрыскиваются в камеру синхрофазотрона.

Магнитное поле в этой машине уже не постоянно, а меняется в такт с электрическим полем. Поэтому момент и направление впуска протонов в камеру приходится выдерживать с огромной точностью – куда точнее, чем даже момент и направление запуска космической ракеты.

Синхрофазотрон в Дубне для разгона протонов до энергии 10 миллиардов электрон-вольт. Видны отдельные блоки – секции мощного электромагнита. Внутри них запрятано кольцо ускорительной камеры. Трубы внизу соединяют камеру с насосами для выкачивания из нее воздуха.

Сотые доли секунды, десятые доли градуса – нам это казалось верхом точности. А в синхрофазотроне речь идет о миллионных долях секунды и чуть ли не тысячных долях градуса! Малейшая ошибка – и пучок протонов, вместо того чтобы ускоряться, врежется в стенки камеры.

Изволь после этого очищать камеру, готовить новую порцию протонов.

Поэтому все операции на ускорителе делает автоматика. Она не придет на работу, не выспавшись, у нее не дрожат руки, не застилает от напряжения глаза. Но за нею тоже нужен глаз да глаз. Поэтому на ускорителе – как на большом заводе: на десяток «руководящих» физиков приходятся сотни инженеров и техников.

С каждым годом «промышленность космических энергий» – иначе не назовешь! – пополняется новыми машинами.