Текст книги "Охота за кварками"
Автор книги: Юрий Чирков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 19 страниц)
2. Ядерное сафари
Погоня за зверем, на которого ты давно и страстно мечтаешь поохотиться, хороша, когда впереди много времени и каждый вечер после состязания в хитрости и ловкости возвращаешься хоть и ни с чем, но в приятном возбуждении, зная, что это только начало, что удача еще улыбнется тебе и желанная цель будет достигнута.
Эрнест Хемингуэй. Зеленые холмы Африки
Датский физик Н. Бор, создавший первую теорию атома, возглавлявший в первой четверти нашего века титанические усилия ученых по разработке основ квантовой механики, очень любил рассказывать такую историю.
Некий английский лорд как-то расхвастался своими необыкновенными подвигами, якобы совершенными им при охоте на львов. Одна из слушательниц, молодая девушка, не выдержав, спросила его напрямик, сколько же львов он убил.
– Ни одного, – спокойно ответствовал рассказчик.
– Разве это не слишком мало? – ехидно заметила девушка.
И это замечание нисколько не смутило лорда-охотника, он невозмутимо парировал:
– Только когда речь идет не о львах!..
Подобное можно было бы сказать и про результаты научной охоты за кварками: они оказались настоящим львом микромира!
Золотыми буквами
В декабре 1934 года маленькая охотничья экспедиция – американский писатель Э. Хемингуэй, его жена, друзья и следопыты-африканцы – выехала из Момбасы (Восточная Африка, порт в Кении на побережье Индийского океана) и двинулась на северо-запад через плато Серенгеттн, откуда повернула на юг, к озеру Маньяра.
Путешествуя по Африке, Э. Хемингуэй и его спутники охотились на самых разных зверей – львов, леопардов, антилоп, носорогов, газелей.
Позднее в книге «Зеленые холмы Африки» писатель очень ярко и точно описал все подробности этой охоты.
Этой книгой Э. Хемингуэй провел своеобразный писательский эксперимент: он попытался создать «абсолютно правдивую книгу», не используя при этом ни одного вымышленного образа или события. И преуспел в этом.
Жаль, что, когда – в середине 60-х годов – началась (продолжается она и поныне) экспериментальная охота за кварками, в ней не принял участия какой-нибудь писатель ранга Э. Хемингуэя, который поставил бы себе целью выяснить, может ли правдивое изображение научных событий – без прикрас и без разговоров о любви главных героев! – «соперничать с творческим вымыслом».
(Конечно, охота обычная и охота научная не одно и то же. Э. Хемингуэй прекрасно владел ружьем, бил птицу и зверя без промаха, поэтому он мог фиксировать и потом запечатлеть в книге даже самые мельчайшие детали охоты. Представить же писателя, который мог бы стать полноправным участником физических экспериментов, да при этом держал бы в голове все хитросплетения теоретических нитей, да еще бы виртуозно владел словом, представить себе такого писателя трудно.
Но это вовсе не означает, что в будущем не появятся научные Хемингуэи, способные осуществить экспедицию в любой, самый удаленный уголок микромира и убедительно, с полным знанием дела, красочно рассказать об этом, даже если охотиться им придется за «зверьми», не уступающими кваркам по изворотливости и неуловимости.)
…В те жаркие 60-е годы кварками интересовались не только физики геологи, биологи, химики тоже часто произносили это слово. Но, понятно, особенно волновались и суетились, принимая все это слишком близко к сердцу, научные журналисты. Они жадно прислушивались к свежим новостям, вникая, казалось бы, в неуместные подробности, судорожно перелистывали даже сверхспециальные статьи научной периодики в надежде, что наконец-то промелькнет сенсационное сообщение.
Тема кварков властно захватила тогда многих.
А ситуация оставалась противоречивой.
Нетерпеливые и скорые на мысль теоретики уверенно (и с каждым днем все более: их схемы работали все лучше и лучше) говорили «да»: кварки должны, просто обязаны были существовать в природе. Теоретикам возражали экспериментаторы. Более спокойные и не торопящиеся с окончательными выводами, они твердили «нет»: пока в экспериментах обнаружить кварки никак не удавалось.
«Рождение», «выживание» или «гибель» гипотез при их столкновении с данными опыта – дело в науке довольно обычное. И никто не станет пенять теоретику, если его научная версия не оправдалась. Гораздо сложнее положение экспериментатора: ошибаться ему не след, хоть такое и случается порой. С экспериментатора спрос больше, но зато ему больше и веры.
Вообще, заметим, что в неразлучной паре «теория – эксперимент», как бы результативна и плодовита ни была теоретическая мысль, все же считается, что решающее слово остается за экспериментатором – он ближе к природе!
На этот счет у физиков есть такая шутка. Они говорят, что различие между теоретиком и экспериментатором заключается в том, что результату теоретика обычно не верит никто, кроме него самого, а результату экспериментатора обычно доверяют все, кроме самого экспериментатора.
«Нет», – в вопросе о существовании кварков слово экспериментаторов было решающим. Какие тут могут быть разговоры! Для доказательства есть только один путь: кварки необходимо было представить научному миру, так сказать, живьем.
Кварки, какая бы это была ценная добыча! Пойманные кварки очень быстро перекочевали бы со страниц узкоспециализированных научных журналов в монографии. Потом в текст университетских и вузовских лекций. Затем и в школьные учебники. О кварках, об этом фундаменте материи, громогласно возвестило бы радио, их показывали бы (в рисунках, схемах) по телевидению, о них рассказывала бы многочисленная армия лекторов, их бы разобрали по винтикам и вывернули бы наизнанку популяризаторы науки.
А такой чести удостаивается не каждое научное достижение. Открытий в наш век сделано слишком много, о всех не расскажешь. Но кварки! Открытие кварков стало бы подлинным триумфом науки. Оно было бы записано в ней золотыми буквами, попало бы во все учебники и, несомненно, осталось бы в них на ближайшие, скажем, сотни лет.
Опыт Милликена
Итак, очень многие жаждали поймать хотя бы один кварк. И дело это вроде бы не должно было доставить много хлопот: кварки же ведь существа весьма экзотичные, и выделить их будет несложно.
Главное – у кварков дробный электрический заряд (дробным, кстати, является и их барионный заряд; +⅓), что и должно существенно облегчить их наблюдение. Эта дробность не позволяет им исчезнуть: распасться на обычные частицы (электроны, например), обладающие целым или нулевым зарядом. Иначе нарушился бы закон сохранения зарядов – один из краеугольных камней физики. Все эти рассуждения значили одно: кварки должны быть стабильными частицами. Если они существуют, то должны быть везде.
И их, как только была выдвинута кварковая гипотеза, принялись искать повсюду – на поверхности Земли, в океанах, в космических лучах, на ускорителях элементарных частиц.
Но, допустим, кварк у нас в руках: в той горстке материи, что мы держим. Как отличить его от других частиц? Какой для этого использовать метод?
И здесь вспомнили про то, как был измерен заряд электрона. Сделал это в 1911 году американский физик-экспериментатор Р. Милликен (1868–1953).
Р. Милликен был ученым с некоторыми странностями. Он один из немногих, кто упорно пытался примирить религию и науку. В колледже (другой пример эксцентричности) он специализировался по греческому языку и в физику влюбился только в университетские годы. Но уж зато экспериментатором Р. Милликен был первоклассным.
Дж. Томсон, мы помним, открыл электрон, а вот измерил его заряд, да еще с прецизионной точностью, именно Р. Милликен. За это в 1923 году он был удостоен Нобелевской премии. Его опыт был элегантен, красив, точен, наивно прост и стал добротной классикой. Ученый изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора.
Опыты эти были начаты в 1906 году. Вначале бралась крохотная электрически заряженная водяная капелька.
Вниз ее тянуло поле тяжести, вверх – электрическое поле.
Неудача первых опытов состояла в том, что ничтожно малые капли воды быстро испарялись, и уменьшение их веса вносило погрешность в расчеты. Поэтому в 1911 году ученый начал экспериментировать с каплями масла: тут испарение уже не вносило больших осложнений.
Капельки масла (проводились и опыты с ртутными шариками) у Р. Милликена были настолько легкими (они весили 10 -11– 10 -12грамма), что изменение их количества электричества всего лишь на один электрон (тоже лилипут: его заряд 10 -19кулона) уже заметно влияло на скорость их падения.
Заряжение капель производилось их облучением X (икс) – лучами (так вначале называли лучи Рентгена).
При этом менялся электрический «вес» капельки: капли начинали падать быстрее пли медленнее. В определенных условиях их можно было заставить даже подниматься вверх.
Минимальное изменение в движении капли было обусловлено прибавлением пли вычитанием уже далее неделимой порции заряда. Ее (заряд электрона) и вычислил Р. Милликен, окончательно доказав атомарную (корпускулярную) природу электричества.
Эти опыты и вспомнили прежде всего, когда начались энергичные розыски кварков. А обнадеживало тут вот что. Сам Р. Милликен однажды наблюдал капельку с количеством электричества, равным ⅔ заряда электрона!
Этот необычный результат показался ученому подозрительным, он его просто отбросил, посчитав, что в опыт закралась какая-то погрешность. Лишь спустя годы в одной из своих статей Р. Милликен вскользь упомянул об этом наблюдении. Значит, он наблюдал кварки?
Кто знает. Мнения тут разделились. Многие считали, что условия проведения эксперимента не давали ему на это никаких шансов. Кварки звери довольно редкие.
Повстречать их непросто. А капельки у Р. Милликена были очень маленькими: вероятность того, что в капельке спрятан кварк, становилась ничтожной.
Но из последних рассуждений следовал и обнадеживающий для поисков кварков вывод: капли (пли частицы вещества) надо брать покрупнее, и еще желательно было бы их предварительно обогащать кварками. Ну н, естественно, надо использовать аппаратуру в миллионы раз более чувствительную, чем та, что была у Р. Милликена.
Тогда и можно рассчитывать на успех.
Подобно «гробу Магомета»
И физики немедленно впряглись в поиски. Работа велась одновременно во многих странах.
В США (Стэнфордский университет) группа исследователей измеряла заряды маленьких сверхпроводящих шариков диаметром около 0,1 миллиметра, заставляя их осциллировать, совершать колебания, в переменном электрическом поле. Величина осцилляции зависела от электрического заряда шарика. Это была рафинированная версия опыта Р. Милликена.
Американцы сообщили радостную весть. В прибор один за другим помещали 9 маленьких шариков из ниобия, на 3 из них исследователи нашли заряд, равный одной трети. Эти заряды можно было удалить, промывая шарики ацетоном. Заряд исчезал или появлялся и в результате электрического разряда. Похоже, кварки находились на поверхности шариков. Кварки наконец обнаружены?
Вряд ли. Достоверность этих результатов осталась под сомнением. Вполне возможно, что тут играли роль какие-то неучтенные особенности эксперимента. К примеру, шарики ведь должны быть абсолютно круглыми, симметричными не только по форме, но и по своему составу.
Иначе неоднородность сказалась бы на равновесии шарика, а значит, и его заряде. Но в том, что шарики круглы, можно убедиться с помощью микроскопа. Однородность же объемных свойств проверить уже гораздо труднее.
А она приводит к погрешностям в расчетах, что и может выглядеть как дробный заряд.
При суждении об опытах американцев настораживало и то, что попытки повторить их «успех» в аналогичных исследованиях, проводившиеся в других странах, потерпели неудачу.
В СССР поиски кварков схожим с милликеновским способом велись в МГУ под руководством академика Я. Зельдовича и профессора В. Брагинского. Исследовались частицы графита, весящие во многие тысячи раз больше больше вероятность встретить кварк! – чем капельки у Р. Милликена. В такой «махине», как рассчитали теоретики, кварки уже вполне можно было бы встретить (если, конечно, они есть в природе!).
Частица графита в экспериментах висела между полюсами электромагнита, поле которого создавало земную невесомость: неоднородность поля (его градиент) компенсировала силу земного притяжения. И графитовые крупинки оказывались подвешенными между пластинками конденсатора подобно левитирующему йогу, висящему в воздухе безо всяких опор.
Теперь на парящую в воздухе частицу направляли поток рентгеновских лучей, чтобы ее зарядить. Потом включали еще и электрическое поле.
Заряженная частица в электрическом поле должна немного сместиться. Это смещение и интересовало экспериментаторов. А гораздо больше их заботило, будет ли смещение соответствовать заряду ⅓ или заряду еще какого-нибудь числа с тройкой в знаменателе.
Дальше события развивались, как в добротной мелодраме. Недолгое счастье сменилось унынием. Вначале в серии из 17 измерений трижды наблюдались кваркоподобные смещения графитового тельца. То же повторилось и в видоизмененной серии опытов. И все же кварки тогда найдены не были.
Частица графита, висящая в магнитном поле, подобно легендарному гробу Магомета, обладала дипольным электрическим моментом. Его взаимодействие с неоднородным электрическим полем, смещающим частицу, и явилось причиной этого научного недоразумения. Когда экспериментаторы нашли наконец способ сделать электрическое поле совершенно однородным, коварный дипольный момент перестал влиять на результаты опытов.
Но при этом исчезли и кварки, точнее, те смещения, которые до этого свидетельствовали, казалось, об их присутствии. И исчезли уже навсегда.
Открытие и закрытие. Иногда их делают разные исследователи: одни открывают, другие закрывают.
Чаще же «закрывание» осуществляют сами «открыватели». Так было и в случае, о котором мы только что рассказали.
Хотя и бывают порой «закрытия» ценные, «закрытия», восстанавливающие истину, спасающие науку от заблуждений, ложных дальнейших шагов, – цена их явно неравнозначна открытию. «Золото» найденного сверкает и слепит, веселя сердце первооткрывателей, помогая им быстро забыть всю тяжесть усилий, потраченных для достижения победного результата.
Иное при «закрытии». Здесь трудности часто те же – отрицательность результата не уменьшает их ни на йоту.
Ученые тратили последние силы, рискуя здоровьем, а то и самой жизнью (и такое бывает!). А что могут получить взамен? Разочарование, иронические замечания коллег, потерю веры в собственные силы, апатию. Не только победных возгласов не услышат, но даже просто опубликовать отрицательный результат не всегда смогут. В лучшем случае где-нибудь, как бы ненароком, в сносках, в примечаниях удастся упомянуть про кусок научной жизни, отданный такой неблагодарной работе.
Следы невиданных зверей
Когда высоко в небе пролетает реактивный самолет, он оставляет за собой постепенно расплывающийся след – облачко кристалликов льда. Сам самолет часто невидим, и его присутствие выдает лишь оставленный им белый пушистый хвост. Глядя на этот след, мы можем думать о чем угодно, но только не об элементарных частицах.
А напрасно! Многие сведения о микромире ученые получили, как раз разглядывая следы, подобные следу самолета в небе. Оказывается, точно таким же способом и микрочастица может тропить свой путь.
Но следы, невольно выдавая охотнику свое присутствие, оставляет и зверь в лесу. Так вновь пересекаются охота лесная и охота ядерная. По этому поводу можно было бы даже сочинить небольшое эссе. В нем нашлось бы место и для особых заповедей, отличающих охоту ученую от охоты обычной. Тут пришлось бы перечислить пункты вроде таких:
1. В охоте научной поймал тот, кто поймал первым.
Второй, третий и последующие «удачливые» охотники в зачет уже не идут.
2. Совершенно неважно, сколько ты поймал. Даже единственного экземпляра «зверя» будет вполне достаточно.
3. Вовсе не обязательно ловить самого «зверя»: достаточно его каким-то образом обнаружить – увидеть и сфотографировать (чтоб не сомневались остальные охотники!) или, скажем, найти его след…
Умению детектировать следы невидимых частиц, сделать их заметными для глаза или регистрирующего их аппарата мы обязаны английскому физику, выходцу из Шотландии Ч. Вильсону (1869–1959).
Ученый начинал свою научную карьеру как метеоролог. Его интересовало, как зарождаются в атмосфере облака. Но эти поиски неожиданно завели его совсем в другую область науки.
Ч. Вильсон часто любовался облаками, обволакивающими вершину Бен Невиса – высочайшего горного пика не только Шотландии, но и всей Англии. И уже в лаборатории (Ч. Вильсон был сотрудником Дж. Томсона в Кембридже) пытался в меньшем масштабе воспроизвести это красивое и загадочное тогда явление.
Он поступал так: насыщал водяным паром воздух в небольшой камере, затем быстро выдвигал стенку-поршень камеры, смесь воздуха и водяного пара расширялась, температура ее падала. Воздух в камере переохлаждался, и в ней в любой момент могло начаться выделение капелек влаги. Так можно было имитировать образование облаков.
Однако лабораторные облака, как и естественные, образуются не всегда. Хотя пересыщенный пар находится в крайне неустойчивом состоянии (ученые называют это состояние метастабильным), для образования капелек необходима «затравка», какие-нибудь микрозародыши. Ими могут быть, к примеру, всегда присутствующие в городском воздухе частицы индустриальной пыли. (След самолета в небе – это и есть капельки влаги, которые сконденсировались на частичках недогоревшего топлива, выбрасываемых мотором самолета, и быстро замерзли.)
Ч. Вильсон продолжал экспериментировать, и однажды его осенила счастливая мысль, что зародышами каплеобразования могут стать и ионы воздуха. И доказал это.
Когда заряженная элементарная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек встречных атомов – ионизирует их. Вдоль пути пролетающей частицы выстраивается цепочка ионов. Если частица при этом движется в переувлажненной среде, то на ионах будут возникать капельки влаги. Они начнут быстро расти и достигнут видимых размеров.
В 1912 году Ч. Вильсон сконструировал камеру (она теперь носит его имя), которая сыграла важную роль в изучении нравов микромира. Несколько десятилетий это был практически единственный способ, позволяющий визуально регистрировать ядерные процессы. (В 1927 году Ч. Вильсон получил за это изобретение Нобелевскую премию.)
И все же это дерзость – по следам воссоздавать образ элементарной частицы. Грубо говоря, это похоже на попытку определить по следу только что пролетевшего реактивного самолета его конструкцию. Дерзость? Тем не менее физики давно научились довольно хорошо разбираться в ядерных следах.
След следу ведь рознь. Движущийся электрон оставляет тонкий волнистый след: он легко искривляется, если вблизи траектории оказываются другие электроны. Массивная альфа-частица, наоборот, оставляет прямой и толстый след: это как бы носорог микромира, мчащийся сквозь заросли напролом. Но если на ее пути встретится тоже массивное атомное ядро, альфа-частица изменяет свой путь: в камере Вильсона будет виден резкий излом следа (следы физики называют треками).
Чтобы теперь узнать подробности о заряде ядерной частицы, камеру Вильсона обычно помещают в магнитное поле. Оно искривляет ее путь, превращая его в дугу. Радиус изгиба траектории зависит от величины электрического заряда частицы: чем заряд больше, тем меньше радиус. Направление изгиба (направо или налево) говорит о том, какой у частицы знак заряда – положительный или отрицательный.
Эти знания могут пригодиться и при ловле кварков.
Ведь у них аномально малый заряд: и это хорошая зацепка для ученых-следопытов. Толщина следа, который оставляет частица в камере Вильсона, пропорциональна квадрату ее заряда. Поэтому частица с зарядом 7з – кварк – оставит в 9 раз более тонкий след, чем электрон. Вот по таким «рыхлым», разреженным следам и можно надеяться отыскать кварки среди других жителей микромира.
С мышеловкой на слона
Источником кварков (в опытах по их определению) могут стать космические лучи. Однако метод этот не очень надежен.
Физик-экспериментатор, имеющий дело с не подчиняющимися его воле хаотическими потоками космических лучей, похож на авиаконструктора, который вдруг вздумал для испытания крыла самолета выбрать чистое поле, где, как он надеется, возникнет ветер нужной ему силы и направления. И подобно тому, как авиаконструкторы вынуждены были призвать на помощь аэродинамическую трубу, где режим испытаний строго контролируется, так и физики в конце концов обратились к подчиняющимся их требованиям пучкам частиц, разогнанных в ускорителях. И если к помощи космических лучей прибегают и по сей день, то причина понятна: в космических лучах – а вдруг повезет! – можно встретить частицы с энергиями, которые пока на несколько порядков больше тех, что дают самые крупные из ускорителей.
Погоня за кварками в космических лучах, преследование их в ускорителях – как все это вновь наводит на мысли об охоте обычной. Параллели напрашиваются сами собой.
Охота на лесного зверя официально подразделяется на охоту ружейную и охоту самоловную. И у ученых го же. Пальба в ускорителях – ну чем не ружейная охрга? А ученые, выслеживающие кварки в космических лучах, конечно же, занимаются охотой самоловной: прилетевший из космических глубин кварк попадает в приготовленные для него учеными капканы.
Простейший физический «капкан» – фотопластинка.
Она очень похожа на ту, что применяется в обычных фотоателье, только фотослой здесь особый. Он готовится по специальному рецепту, ибо должен быть крайне высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизирующие повреждения.
К разряду ядерных капканов можно отнести и различные счетчики элементарных частиц. Старейший и, видимо, простейший из них – счетчик Гейгера.
Это газоразрядная трубка, в которой создано сильно неоднородное электрическое поле. При попадании в рабочий объем счетчика ионизирующей частицы образуется электронная лавина: через счетчик течет ток. Это и позволяет вести учет частиц.
Подобное устройство было изобретено Э. Резерфордом и немецким физиком X. Гейгером в 1908 году. Тогда этот прибор был незаменим при исследовании радиоактивности. По импульсам тока можно было подсчитать, что, например, грамм радия в секунду испускает 37 миллионов альфа-частиц.
Физические приборы, использующиеся сейчас для ловли микрочастиц, довольно многочисленны – всех не перечтешь. Добавим сюда еще только уже знакомую нам камеру Вильсона для того лишь, чтобы обратить внимание на ее явные недостатки.
Для ловли кварков камера Вильсона так же мало подходит, как рогатина или духовое ружье плохо вяжутся с современной охотой, где в ход пошли даже вертолеты!
Счетчик Гейгера вышел из моды (правда, его еще используют, например, в биологии, где требования не столь высоки, как при ловле микрочастиц), потому что уж очень он «неповоротлив»: регистрация сверхбыстрых сигналов ему явно не под силу.
А «неповоротливость» камеры Вильсона проявляется в другом. Что можно довольно просто объяснить.
Камеру наполняет газ (пары). Он очень разрежен в сравнении с жидкостями. Поэтому и следы получаются жидковаты, чересчур тонкими. А кварки (пора вспомнить о них) и сами не очень-то следоспособны. Так что ловить кварки в камере Вильсона – это то же, что при охоте на слонов пользоваться… мышеловками.
Для ловли кварков и других необычных частиц требуются средства более надежные. И физика дала их.
