Магнит за три тысячелетия
Владимир КАРЦЕВ

Сортировщики микрочастиц
Д. Дальтон и Ч. Вильсон никогда не встречались, они жили с разрывом времени порядка ста лет, но тем не менее именно их труды помогли заметить то, что не видно невооруженному человеческому глазу – движение элементарных частиц. Тут снова придется вспомнить П.Л. Капицу, предложившего совместить первый обнаружитель частиц с магнитом, что породило семейство полезнейших научных приборов...

Эту историю надо начать с Джона Дальтона (1766...1844)., того самого самоучки, который сначала преподавал математику детям в Манчестере, а потом занялся исследованиями воздуха, газовых смесей, составил первую таблицу атомных масс, изучал свойства перегретого пара.

Затем пришла пора Джеймса Прескотта Джоуля (1818...1899). Он учился дома, а к физике его приохотил именно Дальтон. Ученики знали о профессоре по «дальтонизму», цветовой слепоте, но серьезные люди слышали и о соревновании учителя с Гей-Люссаком, помогавшем самому Бертолле, летавшему над Парижем в монгольфьере, но все же отставшем от Дальтона в установлении закона расширения газа при нагревании.

Джоуль стал большим ученым. Он много и весьма успешно занимался магнетизмом. Джоуль поведал миру о существовании предела намагничивания стали, о магнитном насыщении. Джоуль измерил тепло, выделяемое электрическим током. Джоуль заметил магнитострикцию, т.е. изменение объема намагничиваемого железа.

А тем временем, словно следуя заранее известному сценарию, сотни исследователей день за днем приближали появление удивительного магнитного прибора, рождение которого никто, конечно, не мог заранее предполагать.

В 1880 г. Э. Гольдштейн отклонил пучок катодных лучей (позднее узнали, что это поток электронов), поднеся к нему магнит. Отрицательный знак заряда этих лучей определил Ж. Перрен, увязав направление магнитного поля с траекторией пучка. Его опыт уточнил Дж.Дж. Томсон, потом Дж. Лармор предсказал прецессию электронов во внешнем магнитном поле.

В конце прошлого века физики активно разрабатывали интереснейший раздел теории – строение вещества, и самыми действенными инструментами в руках исследователей оказались электрическое (оно ускоряло заряженные частицы) и магнитное (оно искривляло путь частиц) поля.

Сегодня каждому школьнику известно, что магнитное поле отклоняет летящий электрический заряд, ничего другого неизменное во времени магнитное поле делать не «умеет». А тогда, при жизни наших дедов и прадедов, это правило только-только обретало плоть: то Зееман расщепил магнитным полем спектральные линии (1896), то Браун построил катодно-лучевую трубку (1897), то магниты смогли отклонить лучи, испускаемые радием (1899).

В 1907 г. Дж.Дж. Томсон, только что получивший Нобелевскую премию за открытие электрона, предложил построить масс-спектрометр, сыгравший огромную роль в физике элементарных частиц. Это сейчас магниты широко применяют для исследования поведения веществ в сильных магнитных полях, для излучения гальваномагнитных, термомагнитных, магнитострикционных явлений, для получения сверхнизких температур (всего лишь на тысячную долю градуса выше абсолютного нуля) методом адиабатического (т.е. без обмена теплом между телом и окружающей средой) размагничивания. Они применяются в квантовых генераторах – мазерах и для анализа частиц по их массе в магнитных масс-спектрометрах.

Принцип магнитной спектрографии используют для разделения изотопов различных элементов. Изотопы, как известно, – это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Следовательно, массы ядер изотопов различны, и их орбиты при движении в магнитном поле тоже различны. Траектории движения более тяжелых ядер меньше искривлены, вследствие чего легкие и тяжелые ядра движутся в магнитном поле по разным орбитам. В сильном магнитном поле могут быть разделены даже очень «похожие» изотопы.

Магнитные спектрографы создавались как бы в три этапа. Сначала Чарльз Вильсон (1869...1959) изобрел камеру для фиксации следов пролета заряженных частиц (1912), за что много позже получил Нобелевскую премию. Вот где пригодились знания Дальтона о перегретом паре! Если резко расширить объем влажного воздуха, то он охладится, и в состоянии перенасыщения ничтожной причины достаточно для конденсации пара. Вот почему камеру Вильсона тщательно очищают от пыли, оберегают от сотрясений. Теперь достаточно одной-единственной заряженной частице пролететь через камеру, чтобы ее путь был отмечен туманным следом. Трек надо осветить, сфотографировать, и визитная карточка гостьи попадет в распоряжение ученых.

Камера Вильсона появилась, а тем временем А. Демистр по идее Дж.Дж. Томсона построил первый масс-спектрограф (1918). Через год Ф. Астон создал уже хороший аппарат: частицы не только пролетали зазор конденсатора и пятнышко между полюсами магнита, но, пройдя серию узкоориентированных щелей, попадали на фотопластинку.

Но вот магнит «встретился» с камерой Вильсона, и помог этой встрече П.Л. Капица! Дело в том, что паровая камера не могла ответить на вопрос, какая же частица пролетела. Камера Вильсона предупреждала о появлении частиц, не «опознавая» их.

Выход из этого положения был найден советским физиком П.Л. Капицей, опубликовавшим в 1923 г. в журнале Кембриджского философского общества небольшую статью, в которой описывал некоторые эксперименты по наблюдению, следов альфа-частиц в камере Вильсона. Установка П.Л. Капицы представляла собой камеру Вильсона, помещенную в сильное магнитное поле. Что это давало? Мы знаем о том, что в магнитном поле любая заряженная частица движется по кривой, радиус которой обратно пропорционален напряженности магнитного поля и прямо пропорционален массе частицы и ее скорости. Таким образом, зная напряженность магнитного поля и измерив радиус трека частицы в камере Вильсона, можно узнать ее массу и энергию.

Идея П.Л. Капицы о магнитной камере Вильсона нашла приверженцев. Среди них был и американец К. Андерсон, который в 1932 г. поместил камеру Вильсона внутри крупного электромагнита со стальным сердечником и полем около 2 Тл. Полюсы магнита были сконструированы таким образом, что создаваемое магнитное поле оказалось совершенно однородным, т.е. во всех точках камеры поле было одинаковым. Это давало возможность более точно определять энергию частиц. Андерсона кроме энергии интересовали еще и знаки заряда частицы. При заданном направлении магнитного поля и известном направлении движения положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону, а отрицательно заряженные – в другую.

Исследуя вильсонограммы (так иногда называют фотографии следов в камере Вильсона) космических лучей, Андерсон внезапно увидел поразительную вещь: частица, по импульсу аналогичная электрону, отклонялась магнитным полем так, как если бы она была заряжена положительно. Андерсон твердо знал, что электрон так отклоняться в магнитном поле не может, поскольку он обладает отрицательным зарядом и должен отклоняться в противоположную сторону.

Противоречия можно было бы примирить, если бы приписать этому «электрону» положительный заряд. Существование «антиэлектрона», обладающего положительным зарядом, было предсказано в 1928 г. молодым английским физиком Полем Дираком на основе анализа «квантовых» уравнений движения электрона.

Частица, открытая Андерсоном, действительно оказалась антиэлектроном, или, как его теперь называют, позитроном. Это была первая обнаруженная человеком частица из антимира. Ее открытие было бы крайне затруднительно без сильного магнитного поля, без мощного магнита. Так, академик Д.В. Скобельцын, напавший на след позитрона гораздо раньше Андерсона, упустил его, поскольку магнит Скобельцына давал поле лишь 0,3 Тл.

Камера Вильсона была незаменимым лабораторным устройством до тех пор, пока энергии (скорости) излучаемых в ней частиц были относительно невелики. Но в 50-х годах в СССР, США и других странах вступили в строй гигантские ускорители, способные сообщать частицам колоссальную скорость. Энергия частиц была при этом столь велика, что они беспрепятственно пронизывали камеру Вильсона и почти не отклонялись магнитным полем. Это и не удивительно – камера Вильсона заполнена газом, почти не представляющим собой преграды для частиц. Частицы столь больших энергий необходимо было исследовать по-другому.

Камеру Вильсона Капица «доделал» основательно, но резервы ее улучшения уже иссякали. В 1948 г. Нобелевскую премию получил П. Блэкетт, который пристроил к камере Вильсона множество счетчиков элементарных частиц, которые при необходимости включали камеру и отключали ее, когда она простаивала без дела. Но гораздо более серьезное предложение сделал американец, физик Дональд Глезер, ученик Андерсона. И если Андерсон открыл позитрон-антиэлектрон, то заслуга Глезера была не меньше: он открыл «антикамеру Вильсона» – пузырьковую камеру.

Поучительна история этого открытия. Поучительна потому, что она еще раз убедительно показывает, что человек, одержимый какой-то идеей, способен видеть в известных вещах только ему одному понятные явления, улавливать лишь для него очевидные ассоциации, приводящие в конце концов к открытию.

Дональд Глезер в течение долгого времени мучительно искал материал, твердый или жидкий, находящийся в таком неустойчивом равновесии, которое могла бы нарушить даже одна-единственная атомная частица. В этом случае частица, непредставимо эфемерная, могла бы оставить за собой видимый глазом след, который состоял бы, например, из пузырьков испарившейся жидкости. Временами Глезер терял надежду – слишком ничтожной казалась вероятность испарить энергией единственной частицы заметное количество жидкости.

Однажды Глезеру попалась на глаза тридцатилетней давности статья Кенрика, Гильберта и Визмера о «странной жидкости» – диэтиловом эфире, нагретом до 140°С. «Странность» жидкости заключалась в том, что при этой температуре она обязательно бурно вскипала, однако всегда через различные промежутки времени. Проведя тридцать экспериментов, авторы убедились в том, что промежутки времени перед вскипанием этой «капризной» жидкости образовывали ряд, соответствующий закону случайных событий.

Глезер засел за расчеты, которые показали, что частота вскипания жидкости в точности соответствует возможности попадания в колбу космических лучей, т.е. отдельных атомных частиц с высокой энергией. Так была открыта первая жидкость, пригодная для использования в пузырьковой камере, за создание которой Глезер получил в 1960 г. Нобелевскую премию.

Пузырьковая камера действительно может быть названа «антикамерой Вильсона»: если в камере Вильсона след частицы составлен капельками жидкости, осевшими на ионизированных атомах, то в пузырьковой камере, наоборот, след состоит из пузырьков газа, образовавшихся в исходной жидкости за счет тепла, выделенного при образовании заряженных ионов. В пузырьковой камере применяют органические жидкости или ожиженные газы. Первая лабораторная модель камеры была с наперсток. Сегодня полезные объемы пузырьковых камер различны – от нескольких долей литра до нескольких сот литров. Различаются и магниты, используемые с этими камерами. Для советской фреоновой камеры диаметром 115 см и глубиной 50 с изготовлен магнит с полем 2,65 Тл и массой 72 т.

Существуют еще более крупные камеры и магниты. В США построена, например, жидководородная пузырьковая камера объемом 600 л. В Советском Союзе, в Дубне пущена крупнейшая в мире пропановая камера диаметром 2 м. Эта камера установлена на одном из антипротонных каналов дубнинского синхрофазотрона.

Довольно крупная жидководородная камера диаметром около 5 м «Мирабель» установлена в Протвино на Серпуховском ускорителе для фиксации последствий удара протонов, ускоренных до 76 ГэВ, в ядро-протон атома водорода. Именно камеры такого типа дают две трети всей новой информации об элементарных частицах, поэтому нет ничего удивительного в готовности физиков идти на любые расходы по созданию магнито-жидководородных регистраторов. «Мирабель», например, выглядит трехэтажной башней, в центре которой расположена камера, окруженная сложными инженерными сооружениями, куда входит магнит, ожижитель водорода (–246°С!), системы автоматического управления режимами и измерений. Полученная информация использовалась для совместной работы советских ученых и физиков из Французского центра ядерных исследований в Саклэ.

В последнее время для создания пузырьковых камер, особенно больших, широко используют сверхпроводниковые магниты. Это позволяет резко снизить размеры, массу и энергопотребление магнитной системы. В недалеком будущем такие системы, по-видимому, будут обходиться и дешевле обычных.

ЭПР

Оглавление