Всего за 220 руб. Купить полную версию
Для нас самой интересной является идея Видероэ, касающаяся частиц, которые идут в противоположных направлениях по одной и той же орбите. Он хотел собирать и сталкивать такие частицы, но получил отказ, когда обратился за патентом по причине того, что хотел заниматься "очевидным". Прошло пятнадцать лет, и этим же начали заниматься другие.
Если вы выстрелите двумя частицами друг в друга, вероятность столкновения будет ниже их расхождения. Однако если вы накопите много таких частиц, а затем выстрелите двумя мощными пучками друг в друга, то разумно предполагать, что частицы из двух противоположных пучков встретятся друг с другом в одном месте и в одно и то же мгновение.
Впервые эту "очевидную" идею применили в 1959 году – американцы использовали магниты для направления электронов по двум кольцам. В одном кольце магнитные поля направляли электроны по часовой стрелке, а в другом поля изменяли, чтобы электроны шли против часовой стрелки.
Узнав об этих экспериментах, Тушек вспомнил о беседах с Видероэ, и его осенила собственная идея. У позитронов такая же масса, как у электронов, но противоположный знак электрического заряда, так что магнитное поле, которое направляет электроны, например, направо, будет отправлять позитроны налево. Вместо двух наборов магнитов, направляющих электроны в противоположных направлениях, почему бы не взять один набор магнитов, который направит электроны в одну сторону, а позитроны в другую? При условии, что у двух пучков одна и та же энергия, они пойдут одинаковыми путями, но вращение будет идти в противоположных направлениях.
В коллайдере ADA пучки частиц и античастиц вращались в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Ученые смогли успешно сохранять и электроны, и позитроны, и это стало первым в истории укрощением античастиц
В результате Тушек с коллегами спроектировал и построил коллайдер с накопительным кольцом в лаборатории Фраскати под Римом. Его назвали ADA – сокращение от итальянского Anello d’Accumulazione, "накопительное кольцо".
Затем машину перевезли в лабораторию Орсе под Парижем, где была возможность использовать более мощные электронные лучи. И именно там в 1963 году успешно сохранили мощные пучки позитронов и пропустили их сквозь пучки электронов. Время от времени отдельные электроны и позитроны в пучках сталкивались, и в результате этого мгновенно происходила аннигиляция пары и вспышка. Появлялся выбор: если хотите, можно хранить античастицы, а можете заставлять их сталкиваться, в результате чего они будут уничтожены.
В течение следующих тридцати лет ученые строили накопительные кольца для хранения электронов и позитронов все большего и большего размера, пучки имели все более и более высокую энергию. Их сталкивали друг с другом, происходила аннигиляция, и в процессе экспериментов ученые поняли, что это отличный способ узнать о происхождении и природе материи. Несколько прорывов привели к вручению Нобелевских премий.
Большой электрон-позитронный коллайдер
Одной из крупнейших когда-либо построенных подобных машин стал Большой электрон-позитронный коллайдер, ускоритель заряженных частиц, который мы упомянули в начале предыдущей главы. Расскажем о нем подробнее.
Строительство ускорителя для столкновения электронов и позитронов началось осенью 1983 года в Швейцарии, неподалеку от Женевского озера. На глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель, длина которого в целом составила 27 километров (длина кольцевой ветки лондонского метро). Подземное кольцо пролегало под швейцарскими виноградниками, пересекало границу и уходило во Францию. Огромное кольцо состояло из восьми частей (секций), длина каждой – 3 км. Между этими закругленными секциями находились другие, прямые, длина каждой прямой секции составила 500 м. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц. Магниты направляли пучки электронов и позитронов к цели. Направляющих магнитов было три с половиной тысячи, а еще тысячу магнитов специально сконструировали для фокусировки пучков, чтобы повысить концентрацию электрических зарядов. Эксперименты завершились в 2000 году, а сам ускоритель демонтировали. В настоящее время в этом же туннеле размещен новый ускоритель – Большой адронный коллайдер.
Большой электрон-позитронный коллайдер – крупнейший инструмент для научных работ конца ХХ века. Именно в нем регулярно получали и удерживали антиматерию, а потом происходила ее аннигиляция
Эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере дали возможность всесторонне изучить бозоны и позволили показать, что слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия – электрослабого.
Электроны производили, отделяя от атомов, а затем их движение ускорялось в небольшом ускорителе. Позитроны получали, выстреливая электронным пучком по небольшой вольфрамовой цели, благодаря энергии столкновений получались позитроны и новые электроны. Позитроны хранили в накопительном кольце, которое по сути напоминало более раннее изобретение Симона Ван дер Меера, которое хорошо сработало для хранения антипротонов (о нем мы расскажем ниже). Когда позитронов накапливалось достаточно, их направляли в серию ускорителей, которые увеличивали их энергию, пока они не начинали двигаться достаточно быстро, чтобы войти в основное кольцо Большого электрон-позитронного коллайдера. Там они путешествовали по трубкам между магнитами. Это была самая длинная вакуумная система из когда-либо построенных. Внутри трубок давление снижалось до меньшего уровня, чем давление на Луне. Ведь после таких усилий, приложенных для производства, сохранения и фокусировки пучков позитронов, очень важным было качество вакуума, чтобы позитроны не разрушились случайными атомами воздуха.
Магнитные поля направляли электроны и позитроны по тем же круговым "тропам", но в противоположных направлениях. Если эти тропы нигде не соединяются друг с другом, все идет хорошо. Но в четырех точках небольшие импульсы электрических и магнитных полей слегка отклоняли пучки таким образом, что их пути пересекались. Даже в этих точках пучки были такие диффузные, что почти все отдельные электроны и позитроны не сталкивались друг с другом и продолжали циркулировать. Однако время от времени происходило столкновение позитрона и электрона, что вело к их взаимной аннигиляции и выбросу энергии.
Это было ключевым моментом. Способность антиматерии уничтожать материю и высвобождать всю ее энергию использовалась здесь наукой для воссоздания, пусть и на одно короткое мгновение и на крошечном участке пространства, того, что представляла собой Вселенная в целом в первые мгновения после Большого взрыва. Ученых интересовало, что было дальше. Они наблюдали за тем, какие формы частиц и античастиц вышли после этого моделирования, "малого взрыва", и узнали, как энергия впервые была преобразована в вещество во время настоящего Большого взрыва. Использовалась очень сложная электроника, которая была установлена везде, где могли произойти столкновения. Она улавливала и записывала появление этих первобытных образцов материи и антиматерии. В Большом электрон-позитронном коллайдере снова и снова повторялось давнее сотворение мира.
И все это было результатом способности производить и управлять пучками позитронов, которые выживали продолжительное время. Для работы аппаратуры требовалась такая точность, что оказалось, что на работу Большого электрон-позитронного коллайдера влияет движение Луны. Энергия разгоняемых частиц также зависела и от ряда других неожиданных факторов: уровня воды в Женевском озере и прибытия поездов на вокзал в Женеве. Ученые связали такую зависимость с деформациями кольца ускорителя, вызываемыми этими факторами. Но вначале они заметили, что в некоторые дни электроны и позитроны появляются чуть раньше, в другие разы они появлялись чуть позже в тех местах, где должно было происходить их взаимное уничтожение. Разница составляла меньше наносекунды, но Большой электрон-позитронный коллайдер смог ее уловить. То есть сначала они появлялись раньше, потом позже, а затем снова раньше – и для этого требовался цикл из двадцати восьми дней. И точно определив продолжительность цикла, ученые поняли, что машина, обладающая невероятной точностью, поразительно чувствительна. 28-дневный лунный цикл, который влияет на приливы и отливы, на океаны и моря, также влияет и на камни на поверхности Земли, хотя и в очень незначительном количестве. То есть все 27 километров Большого электрон-позитронного коллайдера расширялись и сужались на несколько миллиметров каждый месяц, так что в некоторые дни пучкам приходилось путешествовать чуть дольше, а через две недели их путь становился чуть короче. Не будем подробно рассматривать влияние поездов, прибывающих на Женевский вокзал, на работу коллайдера в этой книге, но оно тоже было отмечено!