В 50-е годы XX века в физике элементарных частиц наступила эра пузырьковых камер. Она подарила невиданное до той поры ощущение реальности микромира, позволив буквально разглядывать оставленные частицами следы.
Прослужив науке почти 30 лет, камеры уступили место электронным детекторам, которые могут регистрировать гораздо больше событий с гораздо большей энергией и с большей точностью. Но все столкновения и превращения частиц, детектируемые современными электронными методами, надежно спрятаны в толще сотен полупроводниковых элементов, калориметров, счетчиков и предстают перед нами уже в виртуальном виде, пересчитанные, отобранные по заранее смоделированным схемам. Так в нашей обычной жизни компьютерная анимация приходит на смену фильмам с настоящими артистами. И хотя экспериментальные методы достигли сегодня фантастических высот, студентам и школьникам преподаватели рассказывают про удивительный мир частиц по фотографиям, полученным десятки лет назад с помощью устройств, о которых мы как раз и собираемся рассказать.
От капелек к пузырькам
Основными средствами детектирования заряженных частиц к середине XX века были ядерные эмульсии и камеры Вильсона. В ядерных эмульсиях при пролете частицы происходила химическая реакция, а в камере Вильсона, работавшей при давлении в 300 атмосфер, перенасыщенный пар конденсировался в жидкость.
К тому времени было уже открыто множество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мюоны в космических лучах, пи-мезоны. Но попадались и такие загадочные экземпляры, которые никак не удавалось исследовать с помощью имеющихся детекторов. Чтобы с ними разобраться, экспериментаторам нужны были новые методы регистрации частиц.
В 1950 году поисками новых способов детектирования занялся в Мичиганском университете Дональд Глейзер. Требования к детектору были следующие. Он должен был срабатывать и возвращаться в исходное состояние за несколько секунд, поскольку в то время уже готовился к запуску новый ускоритель, способный выдавать пучки протонов с такими короткими интервалами. Более того, в течение этих секунд изменения, вызванные пролетающими частицами, должны были становиться настолько заметными, чтобы их можно было запечатлеть на фотографии, и все это при разумных температурах и давлениях. Глейзер перебрал множество вариантов, связанных с химическими и электрическими превращениями, жидкими и твердыми телами, и остановил свой выбор на перегретой жидкости.
Перегретая жидкость
Сделаем небольшое отступление и вкратце расскажем о физическом явлении перегрева, на котором основан принцип действия пузырьковой камеры и предшествовавшей ей камеры Вильсона. Известно, что вода, например, кипит в обычных условиях при температуре 1000С. Но те, кто когда-нибудь поднимался высоко в горы, где давление меньше, чем на уровне моря, подтвердят, что там для закипания воды вполне достаточно и 900С. А вот при повышении давления температура кипения, наоборот, увеличивается. Но самое интересное — то, что если жидкость, нагретую при высоком давлении, вдруг вернуть в обычные условия (снизить давление при помощи поршня), она закипит не сразу, а будет некоторое время пребывать в неустойчивом состоянии, пока ее не потревожат. Такая жидкость и называется перегретой. Нарушить ее неустойчивое равновесие может заряженная частица. При движении частицы, в жидкости образуются ионы, вокруг которых появляются пузырьки, и начинается кипение.
Начало пузырьковой эпохи
Но вернемся снова к Глейзеру. Для первых своих экспериментов он выбрал диэтиловый эфир, который был сравнительно дешев и легко выделялся в чистом виде, а при работе с ним не требовалось никаких сверхъестественных температур и давлений. Проведя собственные расчеты, Глейзер, тем не менее, решил поискать данные в научной литературе и в одном из ведущих журналов физической химии за 1924 год нашел-таки интересную статью об экспериментах с диэтиловым эфиром. Главный изложенный там экспериментальный факт был следующим: перегретый до температуры 1400С диэтиловый эфир при обычном давлении в одну атмосферу самопроизвольно закипал через случайные промежутки времени. И тут следует отдать должное настойчивости и интуиции Глейзера. Он проанализировал приведенную табличку с этими случайными интервалами и выяснил, что в среднем время, через которое происходит закипание, составляет 60 с. Дальше он взял известные данные о космическом и радиоактивном фоне, учел описанную авторами конструкцию емкости с эфиром и вычислил, что через нее в среднем каждые 60 с должна пролетать одна частица!
Похоже, он был на правильном пути. Первое устройство, сделанное Глейзером, состояло из двух соединенных между собой трубочек, наполненных жидким и газообразным диэтиловым эфиром. Они имели длину 10 см и внутренний диаметр 3 мм. Сначала обе трубочки нагревались до 1600С и 1400С, а затем более нагретая охлаждалась до комнатной температуры. Во второй трубке при этом образовывалось перегретое состояние, и как только к ней подносили источник радиоактивного излучения (Глейзер использовал радиоактивный кобальт), диэтиловый эфир закипал. Итак, сама возможность детектирования с помощью перегретой жидкости была доказана, но оставался другой, не менее важный вопрос — можно ли таким способом получать точные следы частиц?
Чтобы это показать, Глейзер приготовил несколько маленьких камер из тугоплавкого борного стекла (пирекса), наполненных несколькими кубическими сантиметрами диэтилового эфира. Высокая температура поддерживалась с помощью масляной ванны, а для сброса давления вручную использовалась специальная рукоятка. Одновременно с открытием рукоятки включалась кинокамера и со скоростью 3000 кадров в секунду снимала все, что происходило в сосудах. Затем процесс снятия давления и последующего сжатия был автоматизирован и синхронизован с кинокамерой и счетчиком Гейгера, который сообщал о появлении частицы. Фильм получился захватывающий. Пузырьки, образовавшиеся при пролете заряженной частицы, вырастали до 1 мм за 300 мкс. Во многих случаях следы частиц были отчетливо видны, и стало ясно, что прибор вполне пригоден для измерений.
В 1955 году в Брукхейвене в США 15-сантиметровая пузырьковая камера, наполненная пропаном, была впервые использована в эксперименте на ускорителе. А уже на следующий год другую камеру, в два раза большего размера, диаметром 30 см, поместили в магнитное поле и получили 60 тыс. стереоснимков с изображениями следов частиц. На них теперь можно было различить положительные и отрицательные частицы, так как они под действием магнитного поля отклоняются в разные стороны, и по кривизне траектории вычислить их скорость. Так началась эра пузырьковых камер, а в 1960 году Дональд Глейзер получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.