В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

От самого ускорителя до экспериментальной установки протонный пучок проходит 160 м, совершая при этом несколько поворотов. Диаметр пучка в фокусе 2 мм, в каждом протонном импульсе около 1012 частиц с полной энергией, т. е. с энергией до 70 ГэВ. Пучок очень концентрированный — в ореол диаметром около 51 см попадает лишь 0,1 % частиц. Потери протонов на всем пути от ускорителя до нейтринной установки не превышают 0,5 %. Столь высокая эффективность передачи пучка необходима по ряду причин, в частности она позволяет снизить требования к радиационной защите.

Есть и другая группа задач — всю исследовательскую аппаратуру необходимо синхронизовать с появлением протонного импульса. Нужно, например, чтобы синхронно включались магнитные линзы, подавалось напряжение на пластины искровых камер, включались регистрирующие приборы. Причем все это должно срабатывать надежно, с микросекундной точностью. И переключать нужно огромные мощности — суммарная мощность наших систем, работающих лишь на нейтринный канал, достигает миллиона ватт, аппаратура питания, управления протонным пучком и его переключения занимает целый трехэтажный корпус, буквально набитый самой современной электроникой.

Получение снимков первых нейтринных «событий» было большой радостью не только для самих физиков, но и для многих инженеров, техников, рабочих, для всех, кто готовил техническую базу эксперимента.

Лауреат Ленинской премии академик Анатолий Алексеевич Логунов, научный руководитель Института физики высоких энергий:

— Даже по нескольким фрагментарным характеристикам установки можно увидеть, что организация нейтринных экспериментов — дело непростое, небыстрое. И прежде чем начинать такое дело, вкладывать в него время, силы, средства, исследователи тщательно взвешивают все «за» и «против», пытаются оценить возможные результаты. Нужно сказать, что нейтринные эксперименты — это лишь один из участков на достаточно широком фронте ядерных исследований. Но участок интересный, судя по всему, перспективный.

Во-первых, сами нейтрино — очень тонкий инструмент. Они взаимодействуют с ядерными частицами, если можно так сказать, очень аккуратно, тонко. И поэтому нейтринным «прощупыванием» можно вести исследование структуры самих элементарных частиц, в частности структуры протонов и нейтронов.

Второе. Все взаимодействия, связанные с нейтрино, — это так называемые слабые взаимодействия. Всего нам пока известны четыре разновидности взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные (ядерные) и слабые взаимодействия. К этому последнему классу относится огромное разнообразие процессов и, в частности, почти все распады ядер и отдельных частиц. В то же время знаем мы о слабых взаимодействиях очень мало.

Нейтрино — прекрасный инструмент для изучения слабых взаимодействий. Оно само продукт этих взаимодействий, почти все процессы, вызываемые нейтринной бомбардировкой, — это слабые взаимодействия.

Слабое взаимодействие универсально — в нем участвуют все известные частицы. Ряд частиц участвует только в слабых и электромагнитных взаимодействиях и не испытывает сильных взаимодействий. Эти частицы называются лептонами. Слабое взаимодействие лептонов изучено при сравнительно малых энергиях, причем установлено, что с ростом энергии сила слабого взаимодействия растет. Это, кстати, выделяет слабые взаимодействия из всех других известных ядерных процессов. Вопрос о том, может ли слабое взаимодействие при высоких энергиях стать сильным, — один из фундаментальных вопросов современной физики. Ответ на него зависит от структуры слабых взаимодействий. Возможно, что подобно тому, как электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами, слабые взаимодействия тоже переносятся некоторой частицей, которую предварительно, «заочно», назвали промежуточным векторным бозоном. Поиски этой частицы пока не дали положительных результатов. Если промежуточный бозон будет обнаружен, то это будет означать, что слабые взаимодействия в принципе не могут стать сильными.

Есть основания надеяться, что нейтринные эксперименты смогут дать дополнительную интересную информацию о слабых взаимодействиях и тем самым приблизят нас к пониманию этого класса процессов.

Нейтринные эксперименты имеют отношение и к другим чрезвычайно важным проблемам, в том числе к проблемам систематики элементарных частиц. Здесь в качестве примера можно назвать поиск тяжелых лептонов (пока нам известны лишь легкие лептоны — электрон, мю-мезон и нейтрино). Или еще такую задачу — изучение сущности различий между электроном и мю-мезоном. Дело в том, что обе эти частицы совершенно одинаково участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях, хотя масса мю-мезона примерно в 200 раз больше, чем масса электрона.

Рассказывая о проблеме единой теории ядерных процессов, физики в качестве аналогии часто приводят созданную Максвеллом теорию электромагнетизма. И действительно, эта теория сформулировала общие законы, которым подчиняется огромный класс разных, как казалось, явлений. Но не стоит забывать, что великая Максвеллова победа начиналась с довольно простых экспериментов Эрстеда, Био и Саварра, Фарадея, Ампера, Ленца, с экспериментов, установивших главное — единство, взаимосвязь электричества и магнетизма. Веками считалось, что электричество — это одно, а магнетизм — совсем другое. Но вот обнаруживается, что если поднести магнитную стрелку к проводнику с током, то стрелка поворачивается. Притягивают или отталкивают друг друга два проводника, по которым течет ток. Если в магнитном поле двигать проводник, то в нем наводится электродвижущая сила. Выясняется, что магнетизм возникает при любом движении электрического заряда, что при всяком изменении электрического поля появляется магнитное, при изменении магнитного — электрическое. Одним словом, в простейших опытах выясняется: нет независимых электрических и магнитных явлений, есть нечто единое — электромагнетизм.

Вот такие же объединяющие факты ищут сегодня исследователи микромира. Ищут факты, которые помогут как-то связать безумное множество ядерных характеристик и процессов. Найти эти факты, конечно, несколько сложнее, чем обнаружить магнитное поле тока. Но и инструмент нынешних экспериментаторов — это не стрелка компаса, не медная проволочка, подключенная к гальваническому элементу.

В недолгой истории ядерной физики были периоды оптимизма, были периоды пессимизма, но никогда не знала она периодов бездеятельности. И сегодня исследователи микромира не опустили руки перед сложностью проблемы. Вооруженные могущественной, совершенной техникой, тонкими теоретическими гипотезами, виртуозными экспериментальными методами, такими, в частности, как методы нейтринных экспериментов, физики ищут контуры завершенной, красивой модели микромира. Ищут с надеждой найти.

Пробиться к центру Солнца

Научно-реалистическое повествование в девяти действиях с прологом и эпилогом.

Пролог. Астрономы и астрофизики уходят в горы, затаскивают туда свои телескопы, спектрографы, интерферометры, исходя из чисто деловых соображений: в горах прозрачней атмосфера, там больше ясных дней, меньше мешают ночные острова электрического света. Одним словом, в горах лучше небо.

Но неужели только это?

Наверное, все же, оставив внизу шум и суету городов, человек еще и совсем по-иному видит этот бездонный черный океан с рассыпанными в нем мириадами бриллиантовых пылинок. И звезды, наверное, становятся значительно ближе, конечно, не в метрах, не в световых годах, а в не придуманных пока единицах человеческой привязанности, звезды становятся ближе к тем, кто всматривается в них с горных вершин Памира, Крыма, Саян, Кавказа.

Кавказ можно смело назвать форпостом нашей астрофизики, здесь находятся четыре крупные обсерватории мирового класса (рис. 1 на втором листе цветной вклейки): три из них — в Абастумани, Бюракане и Шемахе — входят в состав республиканских академий Грузии, Армении и Азербайджана, а четвертая — в районе станицы Зеленчукской — Специальная астрофизическая обсерватория АН СССР с крупнейшим в мире оптическим телескопом БТА и огромным радиотелескопом РАТАН (о них рассказывается в очерке «На старт выходят чемпионы», с. 85). Сейчас на Северном Кавказе, в Кабардино-Балкарии, создается гигантский астрофизический комплекс Института ядерных исследований АН СССР. Для этого комплекса в отрогах Эльбруса сооружается тоннель, который должен в итоге привести исследователей в скрытые от нас пока недра звезд и прежде всего к центру нашей собственной звезды, к центру Солнца.

Действие первое. Земля быстро приближается к Солнцу, однако все еще не видны главные детали этой космической тепловой машины. За последние десятилетия Солнце и Земля в нашем сознании сильно сблизились. Голубая планета, конечно, ходит вокруг огненного солнечного шара по неизменному своему маршруту, но представление об этом грозном «…от Земли до Солнца 150 млн. км…» стало совсем иным: много раз наши космические аппараты прибывали на Венеру, и мы даже видели телепередачу с ее поверхности; а ведь Орбита Венеры лежит на полпути от Земли к Солнцу. Более того, космические автоматы летят к Венере по сложной криволинейной траектории протяженностью 350–400 млн. км. А до Солнца всего 150 млн. км… Размеры Солнца, его «…полтора миллиона километров в диаметре…» тоже стали как-то понятнее — это всего четыре отрезка Земля — Луна, отмеренные космическими аппаратами уже десятки раз.