50. КАК НАБЛЮДАЮТ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Движение планет на фоне неподвижных звезд, движение снарядов или сталкивающихся тел можно наблюдать невооруженным глазом Электроны, находящиеся на атомных орбитах, не видны; наблюдается лишь свет, который излучается, согласно описанной выше интерпретации, при переходе атома с одного уровня на другой. Атомная теория была создана, по существу, для того, чтобы упорядочить данные наблюдений света, излучаемого возбужденными атомами. Внутриядерные явления еще более удалены от нашего непосредственного восприятия. Мы не можем видеть ядерные частицы непосредственно; они не дают знать о себе излучением света. Если мы хотим узнать, как рассеиваются эти частицы при столкновениях, или узнать, как долго они живут, или желаем выяснить, на какие частицы они распадаются, мы должны исследовать следы, или треки, этих частиц в различных приборах. Понятия и гипотезы, введенные в физике элементарных частиц, служат для объяснения показаний этих приборов.

Известно, что энергичные заряженные частицы, движущиеся сквозь соответствующие среды, оставляют позади себя следы. Как правило,

мы можем лишь догадываться, что именно при этом происходит. Тем не менее гипотеза о том, что эти следы принадлежат заряженным частицам и что толщина следов зависит от заряда, скорости и энергии частиц, позволила упорядочить множество экспериментальных фактов. Сейчас мы уверены в том, что наблюдаемые следы проявляют пути заряженных частиц, подобно тому как наши зрительные образы отвечают реальным объектам внешнего мира.

В сентябре 1894 г. Ч. Вильсон провел несколько недель в обсерватории, расположенной на самом высоком из шотландских холмов Бен Невис, изучая, по его словам, «замечательное оптическое явление, возникавшее в тот момент, когда солнце освещало облака, окружавшие вершину холма». Он особенно заинтересовался «цветными кольцами, окружавшими солнце или обрамлявшими тень, которая падала от вершины холма или наблюдателя на туман или облако», и загорелся «желанием имитировать это явление в лаборатории» [1].

«С этой целью я провел в начале 1895 года несколько экспериментов, создавая облака расширением влажного воздуха по методу Кулье и Эйткена. Почти сразу же я обнаружил нечто, обещавшее быть гораздо интереснее, чем то оптическое явление, которое я намеревался изучить» [2].

Явление, отвлекшее внимание Вильсона, привело к созданию так называемой туманной камеры, являвшейся почти вплоть до настоящего времени неотъемлемой частью оборудования, которое предназначалось для наблюдений ядерных частиц. Вильсон обнаружил, что рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, проходя через его камеру, оставляли в ней след в виде полосы густого тумана, который исчезал лишь через несколько минут. Вскоре он определил, что следы образуются вследствие ионизации воздуха под действием этих лучей. Весной 1911 г., т. е. через пятнадцать лет после своего открытия, Вильсону пришла в голову мысль, что он может проследить за полетом заряженной частицы через свою камеру, так как вокруг ионов, образующихся на пути частицы, будут возникать небольшие капельки воды. В первом же испытании этой идеи с использованием рентгеновских лучей Вильсону удалось обнаружить следы электронов, испущенных атомами воздуха под действием этих лучей.

Туманная камера, созданная Вильсоном, в простейшей форме представляет собой наполненный паром ящик, одна стенка которого сделана из стекла, а другая соединена с поршнем (фиг. 284). В исходном положении пар в камере находится в насыщенном состоянии (в случае насыщенных водяных паров в воздухе говорят, что его относительная влажность равна 100%; воздух уже не может содержать больше пара). Чтобы привести камеру в чувствительное состояние, поршень резко выводят из камеры, увеличивая тем самым объем, уменьшая температуру и переводя пар в так называемое пересыщенное состояние. (В камере теперь пара больше, чем может содержать воздух.) В результате в камере должен образоваться туман

(конденсироваться вода), однако он возникает не сразу, а только тогда, когда в камере есть что-то, на чем могут конденсироваться водяные капли, — частицы пыли, ионизованные атомы и т. д. (Пересыщенный пар, как правило, не конденсируется, пока нет примесей, на которые осаждается влага.) Однако туманная камера (фото 12) пыленепроницаема и очищается от ионов с помощью электрического поля. Единственные примеси, возможные в чувствительной камере Вильсона, — это ионы, возникшие под действием заряженных частиц, пересекающих камеру.

Фиг. 284. Схематический чертеж туманной камеры Вильсона (взято из [3]).

Энергичная заряженная частица, двигаясь сквозь пересыщенный пар, на своем пути выбивает из атомов электроны и оставляет позади себя след из ионов (фото 13). На этих ионах происходит конденсация водяных паров, в результате чего путь ионизующей частицы становится видимым и его можно сфотографировать. При соответствующем освещении капли воды кажутся яркими пятнами на темном фоне. В результате диффузии ионов и капель жидкости видимый след частицы расширяется.

Объем камеры может достигать величины порядка а в качестве рабочего вещества используются различные комбинации газов и паров, например воздух — вода или аргон — спирт. Производить ионизацию могут частицы различных сортов; единственное, что требуется для этого, — чтобы частица была заряженной. Нейтральные частицы и фотоны (заряд фотонов равен нулю) не ионизуют атомы на своем пути, а следовательно, не оставляют в камере следов. Следы (треки), как правило, фотографируются (обычно из двух положений для получения пространственной картины), а затем изучаются.

Длина трека и плотность капель в нем характеризуют энергию частицы. Заряд и импульс частицы можно определить, поместив камеру в магнитное поле и измеряя кривизну трека. Часто в камеру помещают пластины из свинца или других материалов для взаимодействия частиц с этими веществами (что используется, например, для замедления частиц),

Трек, приведший к открытию позитрона (фото 14), состоит из двух частей: следа с малой кривизной ниже свинцовой пластины и следа с большей кривизной выше этой пластины. Магнитное поле направлено за плоскость фотографии. Предполагая, что проходящая сквозь свинец частица теряет энергию (Андерсон писал: «Мы также отвергли, как абсолютно несостоятельную, возможность для частицы с энергией в 20 МэВ выйти после прохождения сквозь свинец с энергией 60 МэВ»), можно утверждать, что частица двигалась снизу вверх. Тогда по кривизне трека можно было установить, что заряд частицы был положительным. Величину заряда удалось определить с помощью соотношения, связывающего скорость ионизации, скорость частицы и ее заряд (по оценке Андерсона, заряд позитрона оказался меньше удвоенного заряда электрона). [Электроны выбиваются из атомов пара, заполняющего камеру, энергичными частицами. Число этих электронов, приходящееся на единицу длины (пропорциональное, кроме других величин, заряду пролетающей частицы), и длина их пробега определяют плотность и толщину трека. Полная длина трека (в случае, когда частица останавливается внутри камеры) характеризует энергию пролетающей частицы.] Обнаруженная частица не могла быть протоном, поскольку такое предположение не согласовывалось ни с измеренными значениями кривизны и длины трека, ни с оцененной величиной потерь энергии частицей при прохождении ее сквозь свинцовую пластину, которые свидетельствовали о том, что масса частицы не превышает по крайней мере двадцати масс электрона. На основании этих фактов было разумно предположить, что трек принадлежит неизвестной до сих пор частице, обладающей зарядом и массой положительно заряженного электрона

Камера Вильсона является прекрасным инструментом, хотя она и не совсем удобна в эксплуатации. Она чувствительна лишь в течение очень коротких промежутков времени (порядка с после расширения), а для повторения рабочего цикла требуется по крайней мере минута: необходимо удалить старые следы, сжать газ и подготовить его для следующего расширения. Далее, плотность газа в камере настолько мала, что событие, состоящее в ядерном взаимодействии высокоэнергичной частицы внутри камеры, имеет относительно малую вероятность. Начиная с 1950 г. стали использовать модификацию камеры Вильсона — так называемую диффузионную камеру, в которой был устранен первый из перечисленных недостатков (фиг. 285). Верх диффузионной камеры поддерживается при более высокой температуре, чем ее основание. Пар вводится сверху, и по мере дрейфа вниз он охлаждается и пересыщается. Таким образом, диффузионная камера представляет собой постоянно чувствительную туманную камеру

Пузырьковая камера (фото 15, 16), изобретенная в 1952 г. Д. Глейзером (говорят, идея пузырьковой камеры пришла Глейзеру в голову, когда он наблюдал за ростом пузырьков на стенках пивной бутылки), работает, можно сказать, по принципу, обратному принципу работы камеры Вильсона. Ведь может происходить не только конденсация паров, но и парообразование. В отсутствие примесей, на которых могут возникать пузырьки пара, жидкость остается перегретой, но не превращается в течение некоторого времени в пар. Когда через эту жидкость проходит заряженная частица, она оставляет позади себя след из ионов, на которых, как на стенках пивной бутылки, образуются пузырьки пара,

Фиг. 285. Схематический чертеж диффузионной камеры взято из [4]).

Большая плотность жидкости в пузырьковой камере в сравнении с плотностью газа в камере Вильсона приводит к значительному увеличению вероятности наблюдения актов взаимодействия высокоэнергичных частиц внутри камеры.

Жидкость под давлением нагревается до температуры, превышающей нормальную температуру кипения. Если после этого давление резко сбросить, то жидкость останется в перегретом состоянии. Например, жидкий водород (несмотря на то, что работать с водородом опасно, его часто применяют в пузырьковых камерах, так как в экспериментах с такой жидкостью, состоящей из практически неподвижных протонов, проще всего интерпретировать результаты) поддерживается при температуре 27 К и при давлении 5 атм. В обычных условиях жидкий водород кипит при 20 К. При резком уменьшении давления водород становится перегретым, и около ионов, остающихся после пролета заряженных частиц, образуются треки, которые затем фотографируются. Пузырьковые камеры очень удобны для проведения экспериментов на ускорителях высокоэнергичных частиц, так как время восстановления их чувствительности меньше 1 с и их рабочие периоды можно синхронизовать с импульсами ускорителя.

Совсем недавно появился новый прибор — так называемая искровая камера. Принцип ее работы основывается на том, что проводимость воздуха, содержащего ионы, превышает проводимость обычного воздуха. Поэтому, если в воздушном зазоре включить сильное электрическое поле, напряженность которого чуть меньше той напряженности, при которой происходит пробой, то вдоль траектории заряженных частиц, проходящих через зазор во время импульсов электрического поля и оставляющих позади себя ионы, будут идти токи, которые наблюдаются в виде светящихся треков. Между импульсами основного поля обычно включается дополнительное электрическое поле, очищающее камеру от оставшихся в ней свободных ионов. В отличие от пузырьковых камер, где понижение давления должно осуществляться до попадания в них частиц, искровые камеры можно включать (именно так и делают на практике) после прохождения частиц. Поэтому пузырьковые камеры используются, как правило, во время экспериментов исследовательского характера (например, в сочетании с ускорителем, когда точно известно время каждого импульса), и все, что происходит в камере, при этом записывается; искровые же камеры обычно применяются при изучении заданного, заранее выбранного взаимодействия, которое определяется с помощью «логической схемы», вмонтированной в систему. Хотя фотографирование искровых треков и является способом записи данных, в настоящее время разрабатываются методы, с помощью которых можно избежать этой промежуточной стадии исследований. Например, в одном из таких методов используется проволочная сетка, которая позволяет записывать на магнитные сердечники данные о том, на какой из проводов сетки попала искра, т. е. определять положение конечных точек треков. В промежутках между импульсами ускорителя информация о состоянии магнитных сердечников вводится в вычислительную машину.

Прохождение заряженных частиц можно непосредственно фиксировать в фотографической эмульсии; этот метод был разработан в 1947 г. группой английских физиков во главе с С. Пауэллом. Заряженные частицы ионизуют атомы эмульсии, в результате чего после проявления в ней остаются черные треки. Тяжелые частицы, например протоны, оставляют более плотные треки, чем электроны, так как они более эффективно ионизуюг атомы эмульсии; треки же а-частиц или ядер ионизованных тяжелых атомов еще более плотные, чем треки протонов. Более того, при замедлении частицы число ионизованных атомов эмульсии на единице длины трека возрастает. Поэтому, проведя предварительную калибровку эмульсии, можно по плотности трека определять направление и скорость частицы в ней.

Помимо описанных приборов, регистрирующих треки частиц, применяются также различные счетчики, которые фиксируют присутствие тех или иных частиц. Действие почти всех счетчиков основано на том, что энергичные заряженные частицы возбуждают или ионизуют атомы. Гейгер пользовался сцинтилляционным детектором, который состоял из экрана, покрытого веществом, излучавшим свет

(фотоны) при попадании в него энергичных частиц. (Тот же эффект вызывает свечение телевизионной трубки.) Наблюдая небольшой участок экрана в микроскоп, можно было сосчитать число а-частиц, излученных радиоактивным источником и попавших на этот участок экрана в течение определенного отрезка времени. Сейчас сцинтилляционные детекторы тоже используются, однако, как правило, совместно с фотоумножителями. Фотоны, выбитые из сцинтилляционного экрана, направляются на второй экран, который излучает электроны, когда на него попадают фотоны.

Фиг. 286. Схематический чертеж сцинтилляционного детектора и фотоумножителя (взято из [5]).

Около второго экрана расположена пластина, на которую подан более низкий потенциал, ускоряющий излученные электроны, и которая благодаря вторичной эмиссии излучает большее число электронов; последние притягиваются следующей пластиной, находящейся под еще более низким потенциалом. Процесс повторяется несколько раз (фиг. 286), пока не образуется достаточное количество электронов. В результате каждая частица, попадающая на сцинтилляционный экран, вызывает заметный ток электронов, который можно автоматически регистрировать. В стандартных фотоумножителях каждый падающий на второй экран фотон вызывает потоки порядка 103—104 электронов. Интенсивность сцинтилляции (свечения), которой пропорционально общее число электронов, связана с полной энергией, теряемой высокоэнергичной частицей в сцинтиллирующем материале. Поэтому часто величина электронного импульса используется для определения потерь энергии.

Имеются и другие счетные устройства, которые регистрируют попадающие в них высокоэнергичные заряженные частицы. Знаменитый счетчик Гейгера, всегда столь надежно щелкающий в популярных кинофильмах, работает так, как показано на фиг. 287.

Если заряженная частица движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде (но никогда не превышающей скорость света в вакууме с), то испускается слабое электромагнитное излучение, которое называется излучением Черенкова. Открытое П. А. Черенковым в 1937 г., оно позволяет точно определять скорости частиц (фиг. 288). Излучение отсутствует, когда скорость частицы

ниже скорости света в среде; когда же скорость частицы превышает скорость света, волновые фронты излучения, определяемые скоростью света в среде, распространяются от частицы подобно волнам от движущегося корабля. Скорость частицы можно вычислйть по величине угла между волновыми фронтами.

Фиг. 287. Счетчик Гейгера — Мюллера обычно представляет собой стеклянную трубку, заполненную газом и содержащую два электрода. В качестве одного из них может служить металлический цилиндр, а в качестве другого — тонкая нить, проходящая по оси цилиндра; между электродами приложена большая разность потенциалов (скажем, 1000 В). Под действием электрического поля ионы уходят на металлический цилиндр. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, то в трубке может возникнуть критическое состояние, заключающееся в том, что введение одного дополнительного заряда приводит к разряду в трубке. Электроны, выбитые из первой (исходной) ионной пары, образуют при столкновениях новые ионы, которые в свою очередь приводят к появлению еще большего числа ионов. Следовательно, один электрон может вызвать целый каскад из миллионов электронов. Когда эта лавина достигает центрального электрода, разность потенциалов резко падает, что легко регистрируется с помощью электронной схемы (взято из [4]).

Сам черенковский счетчик не регистрирует треков, однако он позволяет не учитывать малоэнергичные частицы фона, которые всегда присутствуют.

Фиг. 288. Косая волна черенковского излучения (взято из [6]),

Если поместить его у входа искровой или какой-либо иной камеры, то камера будет включаться только тогда, когда через черенковский счетчик проходит высокоэнергичная частица (этот момент определяется по виду выходного импульса фотоумножителя, расположенного внутри черенковского счетчика). Выбор материала для черенковского счетчика определяется величиной требуемой пороговой скорости, которая зависит от показателя преломления среды.

На фиг. 289 приведен схематический чертеж экспериментальной установки, которая используется для измерения масс частиц. Она состоит из двух камер Вильсона и Верхняя камера находится в магнитном поле напряженностью которое создается электромагнитом. В нижней камере расположено 15 свинцовых пластин толщиной 0,63 см каждая. Обе камеры включаются одновременно только тогда, когда заряженная частица проходит через три счетчика Гейгера — Мюллера т. е. при тройном совпадении.

Фиг. 289. Схематический чертеж установки, состоящей из двух камер Вильсона и трех счетчиков использовавшейся при измерении масс мезонов из космических лучей (взято из [7]).

По кривизне трека в верхней камере определяется импульс частицы. Если частица останавливается в нижней камере, то, зная, в какой пластине она остановилась, можно измерить длину ее пробега. По величине импульса частицы и длине пробега определяется ее масса,

Мы только перечислили те разнообразные и остроумные технические устройства, которые были созданы для исследования свойств ядерных частиц. Поскольку ядерные события не являются полностью контролируемыми, нам, как правило, приходится выбирать из массы происходящих событий лишь те, которые нас интересуют. Допустим, что камера диаметром 1 м может регистрировать за год 100 000 каких-то событий (возможно, представляющих интерес). Анализ всех этих треков и выбор из них только нужных представляют собой абсолютно неразрешимую проблему. Количество людей и времени ограничивает возможности эксперимента. С целью расширения этих возможностей были предложены различные системы, состоящие из вычислительных машин, которые способны регистрировать треки, вычислять импульсы и т. д. различных частиц и определять, является ли то или иное событие именно тем, которое ищут экспериментаторы.