20.2. Открытие фундаментальных частиц

Об электроне уже много раз упоминалось в различных разделах данной книги. Он был открыт в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном и стал первой общепризнанной фундаментальной частицей. Электроны присутствуют в обычном веществе и легко отделяются от атомных ядер, с которыми они обычно связаны.

Протон был обнаружен в 1886 г. немецким физиком Е. Гольдштейном, наблюдавшим положительно заряженные лучи в разрядной трубке. Вначале природу этих лучей не понимали. В 1898 г. немецкий физик В. Вин приблизительно определил отношение заряда протона к его массе, а более точные измерения такого рода, подтвердившие существование протонов как независимых частиц в трубке, содержащей ионизированный водород при низком давлении, были выполнены в 1906 г. Дж. Дж. Томсоном.

Следующей открытой частицей (не считая фотона) стал позитрон (антиэлектрон), обнаруженный в 1932 г. американским физиком Карлом Д. Андерсоном (род. в 1905 г.). Позитроны были найдены среди частиц, образующихся при взаимодействии космических лучей с веществом. Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что имеет электрический заряд, равный +e (а не −e, как у электрона).

Масса электрона, согласно уравнению Эйнштейна E = mc², соответствует энергии 510 976 эВ (0,510976 Мэв; 1 Мэв — это 1 млн электронвольт). Следовательно, аннигиляция электрона и позитрона приводит к высвобождению 1,022 МэВ энергии, которая может выделяться в виде двух фотонов, каждый с энергией 0,511 МэВ и соответствующей длиной волны 2,426 пм.

Быстро движущийся электрон при столкновении с анодом в рентгеновской трубке мгновенно замедляется, и при этом значительная часть его энергии превращается в фотон рентгеновского излучения. Если кинетическая энергия электрона превышает 1,022 МэВ, то это количество энергии может превратиться в электронно-позитронную пару. Таким образом, можно получить электронно-позитронную пару в лабораторных условиях при помощи частиц, которым сообщена большая кинетическая энергия в ускорителе частиц (описание его дано несколько позже в данном разделе). Позитроны, впервые наблюдаемые Андерсоном, возникали вместе с электронами при соударении частиц космических лучей с обычным веществом. Космические лучи описаны в следующем разделе.

Нейтрон был открыт в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891—1974). Два немецких исследователя В. Боте и Г. Беккер в 1930 г. экспериментально установили наличие сильно проникающего (жесткого) излучения, которое возникает при бомбардировке металлического бериллия альфа-частицами, испускаемыми радием. Боте и Беккер считали, что это излучение представляет собой гамма-лучи. Затем Фредерик Жолио и его жена Ирен Жолио-Кюри открыли, что излучение бериллия при прохождении через парафин или другое вещество, содержащее водород, вызывает образование большого числа протонов. Будучи не в состоянии объяснить факт образования протонов под действием гамма-лучей, Чедвик решил выполнить серию экспериментов; их результаты позволили установить, что излучение бериллия в действительности состоит из частиц, не имеющих электрического заряда и обладающих массой, приблизительно равной массе протона. Не имея электрического заряда, нейтроны слабо взаимодействуют с другими материальными частицами, за исключением тех случаев, когда они подходят к ним на очень близкое расстояние, не превышающее 10⁻¹⁴ м.

Существование антипротона было подтверждено в 1955 г. Сегре, Чемберленом, Вейгандом и Ипсилантисом, пользовавшимися ускорителем частиц (синхротроном в Беркли), позволявшим получать частицы с энергией 6 ГэВ (ГэВ — гигаэлектронвольт, 1000 МэВ). Масса протонно-электронной пары в 1836 раз больше массы электронно-позитронной пары, а следовательно, для возникновения этой пары более тяжелых частиц необходима энергия 1836·1,022 МэВ = 1876 МэВ*. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд, массу, равную массе протона, и спин ¹/₂.

Об открытии некоторых других фундаментальных частиц будет сказано в последующих разделах этой главы.

* Это количество энергии необходимо для возникновения пары протон — антипротон в результате соударения двух одинаковых частиц, движущихся с равными скоростями в противоположных направлениях в данной лабораторной системе координат. Значительно большее количество энергии — приблизительно 6 ГэВ — должно быть передано частице, чтобы такая пара могла возникнуть при соударении с неподвижной частицей. В настоящее время проводят эксперименты с двумя пучками частиц, направленными навстречу один к другому.

Космические лучи представляют собой частицы, обладающие очень высокой энергией и попадающие на Землю из межзвездного пространства или из других частей космоса, а также частицы, образующиеся в земной атмосфере под действием космических лучей. Открытие того факта, что ионизирующее излучение, наблюдаемое у поверхности Земли, приходит из космоса, было сделано австралийским физиком Виктором Гессом, который в 1911—1912 гг. измерил степень ионизации земной атмосферы на высоте 5000 м при помощи воздушных шаров. Изучение космических лучей привело к открытию не только позитрона, но и многих других фундаментальных частиц.

Космические лучи, попадающие в верхние слои атмосферы, состоят из протонов и ядер более тяжелых атомов, движущихся с огромными скоростями. Космические лучи, достигающие поверхности Земли, в значительной части состоят из мезонов, позитронов, электронов и протонов, образовавшихся в результате реакций быстрых протонов и других атомных ядер с ядрами атомов, находящихся в земной атмосфере.

Некоторые явления, вызываемые космическими лучами, можно объяснить лишь в предположении, что в космических лучах присутствуют частицы с энергией порядка 10¹⁵—10²⁰ эВ. Крупнейшие ускорители, построенные или строящиеся (см. следующий раздел), дают или будут давать частицы с энергиями порядка 10⁶—10¹² эВ. Пока не известны способы, позволяющие ускорять частицы до таких энергий, которыми обладают наиболее быстрые частицы космических лучей; изучение космических лучей, по-видимому, будет продолжать оставаться источником информации о Вселенной, поскольку такая информация не может быть получена каким-либо иным путем.

За последние годы были достигнуты огромные успехи в лабораторном получении частиц, обладающих высокими скоростями. Первыми успешными попытками оказались работы, основанные на использовании трансформаторов. Различные исследователи строили трансформаторы, позволявшие получать напряжение до 3·10⁶ В для работы с вакуумными трубками, в которых можно было ускорять протоны, дейтроны и ядра атомов гелия. В 1931 г. американский физик Р. Дж. Ван де Грааф построил электростатический генератор, в котором электрический заряд переносился движущейся изолированной лентой к электроду, заряженному до высокого потенциала. После этого были построены генераторы Ван де Граафа, которые работали, создавая разность потенциалов до 15·10⁶ В.

Циклотрон изобретен в 1929 г. американским физиком Эрнестом Орландо Лоуренсом (1901—1958). На этом циклотроне положительные ионы (протоны, дейтроны или другие легкие ядра) получают последовательные ускорения при многократном прохождении разности потенциалов в несколько тысяч вольт. Заряженные частицы движутся при этом по кругу под действием магнитного поля, создаваемого большим магнитом, между полюсами которого помещен аппарат (рис. 20.1). Циклотроны можно использовать для ускорения частиц примерно до 100 МэВ. Но большие энергии оказываются недостижимыми, ибо релятивистское изменение массы частицы приводит к тому, что она движется не в фазе с переменным электрическим полем.

Новый ускоритель синхротрон, в котором число вводимых частиц и частота переменного поля меняются таким образом, чтобы скомпенсировать релятивистское изменение массы, был предложен советским физиком В. Векслером и независимо от него в 1945 г. американским физиком Е. М. Макмилланом. Практическая реализация принципа синхротрона позволила в настоящее время получить частицы, ускоренные приблизительно до 300 ГэВ; разрабатываются планы постройки гигантских ускорителей, позволяющих получать частицы с энергиями 500—1000 ГэВ.

Рис. 20.1. Схема циклотрона. 1 — южный полюс магнита удален, чтобы видны были детали; 2 — цепь генератора, заряжающая электроды дуанта попеременно положительно и отрицательно; 3 — положительные ионы ускоряются по мере прохождения от положительного дуанта к отрицательному; 4 — полый дуант по форме электродов; 5 — вакуумная камера; 6 — отрицательный электрод выводит пучок ионов из магнитного поля; 7 — северный полюс магнита; 8 — магнитное поле (около 16 000 Гс) отклоняет пучок ионов; радиус тем больше, чем больше скорость ионов; 9 — выходящий пучок ионов; 10 — источник ионов.

Реакции между частицами можно наблюдать, изучая следы (треки) этих частиц в камере Вильсона или в пузырьковой камере. Камера Вильсона, изобретенная в 1911 г. английским физиком Ч. Т. Р. Вильсоном (1869—1959), представляет собой замкнутый сосуд, заполненный воздухом, насыщенным водяными парами. Если быстро увеличить объем камеры путем перемещения поршня, то воздух охлаждается и становится пересыщенным парами воды, в результате чего в камере конденсируются капельки воды. Эти капельки возникают вокруг ионов, образующихся при прохождении через газ электрически заряженных частиц высокой энергии. Следовательно, капельки позволяют наблюдать путь прохождения таких частиц. Нейтральные частицы не оставляют следов, однако наличие их иногда удается установить по радиально расходящимся следам от точки, в которой нейтральная частица претерпела превращение, в результате которого возникли заряженные частицы, обладающие высокой энергией. В последние годы широкое применение нашла пузырьковая камера, изобретенная в 1952 г. американским физиком Д. А. Глейзером (род. в 1926 г.). Эта камера содержит жидкость при температуре, несколько превышающей ее температуру кипения. Ионы, образующиеся при прохождении через жидкость частиц с высокой энергией, служат центрами образования небольших пузырьков пара, по которым и обнаруживается движение частиц.

Фотография, полученная при помощи камеры Вильсона, воспроизведена на рис. 20.2, а фотография частиц в пузырьковой камере — на рис. 20.3.

Устройством для обнаружения следов частиц, обладающих высокой энергией, служит также искровая камера. Этот прибор заполнен газом и имеет ряд металлических пластин, которые могут быть заряжены до такого электрического потенциала между парой противоположных пластин, что становится возможным прохождение искры от одной пластины к соседней. При прохождении ионов, образуемых частицей высокой энергии, остается след от проскакивающей искры, причем этот след можно сфотографировать. В экспериментах, проведенных в 1962 г. с целью обнаружения нейтрино (разд. 20.5), применяли искровую камеру размером 3,05×1,8×1,2 м, имевшую 90 алюминиевых пластин площадью примерно 0,4 м² и толщиной 25 мм, расположенных на расстоянии 13 мм одна от другой; камеру заполняли неоном.

Рис. 20.2. Прямое и зеркальное изображение двух электронно-позитронных пар, образованных фотоном космических лучей вблизи ядра атома свинца в свинцовой пластинке толщиной 1 см в камере Вильсона. Фотография получена примерно в 1934 г. Карлом Д. Андерсоном — первооткрывателем позитрона. Приложенное магнитное поле вызывает противоположную кривизну следов электрона и позитрона.