Охотники за частицами

Первое впечатление — как в машинном отделении большого корабля. Кажется, вот-вот донесется с мостика капитанская команда и заработают машины, сотрясая стальной пол. Но сегодня на мостике, находящемся на высоте трехэтажного дома, пусто. Лишь несколько техников работают у огромных насосов, соединенных с тонкой стальной коробкой.

Это — ускорительная камера, втиснутая между полюсами исполинского семитысячетонного магнита. Тут же сбоку пристроился генератор переменного электрического поля.

Теперь можно перейти на другую сторону машины. На коробке видна длинная продольная красная черта, словно шов, только что наложенный хирургом. Операция будто еще не кончена, хирург еще не извлек зондов из раны. Вот они, зонды, — блестящие металлические штанги, уходящие в тело ускорителя.

Красная черта — это тонкая латунная оболочка для вывода из камеры вторичных излучений. А образуются они на самом кончике «зонда», где укреплена мишень.

Пучок протонов, разогнанный до энергии 680 миллионов электрон-вольт, ударяется о мишень — пучки пи-мезонов и других частиц — нейтронов и мю-мезонов — вылетают через тонкое окошко, проносятся через главный зал и сквозь прорубленные в его толстенной стене бойницы проникают в соседний зал, где эти частицы попадают в приборы. Здесь и ведется охота за ними.

Зачем же все эти массивные двери, стены многометровой толщины, как в средневековой крепости? Тоже для защиты людей — здесь от ядерных снарядов. К космическим лучам мы уже «привыкли»: тысячи частиц ежеминутно пронизывают наше тело, не нанося ему заметного вреда. Но синхроциклотрон ежесекундно образует многие миллиарды «космических» частиц. От них нужна уже серьезная защита. И не только людей, но и установок: иначе все посторонние частицы могут существенно «загрязнить» опыт.

Вот почему и оставлены в толстенных стенах лишь узенькие бойницы для впуска частиц. Вот почему, когда работает ускоритель, людей нет не только в главном, но и в соседних залах. Показания всех приборов передаются на довольно большое расстояние, где в больших и светлых комнатах работают ученые.

Сильное впечатление оставляет махина синхроциклотрона! Но оно меркнет, когда вы попадаете в главный зал синхрофазотрона. Колоссальная «гофрированная» баранка уже ни в малейшей степени не напоминает своего далекого предка — пращу.

Диаметр баранки шестьдесят метров, вес магнита — 36 000 тонн, вакуум в ускорительной камере очень высокий — давление там в миллиард раз меньше атмосферного, огромная точность сборки секций магнита на всей двухсотметровой длине ускорительной дорожки. Эти цифры убедительно свидетельствуют об уровне техники двадцатого века!

Но даже не они восхищают физика. Десять миллиардов электрон-вольт, вот в чем ключ к той двери, за которой открывается чудесная область новых поразительных открытий. Восемь лет отделяют практический пуск синхрофазотрона от пуска его предшественника — синхроциклотрона в Дубне.

А почему сразу нельзя было сделать машину на десять миллиардов электрон-вольт и даже еще в тысячу раз большую энергию?

Казалось бы, автофазировка не ставит пределов разгону частиц.

Однако не в одной автофазировке дело. Когда голую идею начинают одевать в листы точных расчетов и чертежи реальных конструкций, ее мощь, кажущаяся поначалу такой безграничной, принимает гораздо более скромные размеры.

Попробуйте представить себе знаменитую скульптуру Давида, изваянную гениальным Микеланджело (ее копия есть у нас в Москве, в Музее изобразительных искусств), попробуйте представить себе Давида, одетого в современный пиджак и «стильные» брюки. Что останется от его мощи! «От всей мощи остались одни мощи» — как остроумно заметил один физик, присутствуя при очередном разгроме соблазнительной на вид идеи.

Идее Векслера, конечно, такая участь никоим образом не угрожала. Но ее практическому осуществлению все же имелся предел. Если бы синхроциклотрон спроектировать на те же 10 миллиардов электрон-вольт, то его магнит весил бы ни много ни мало… 20 миллионов тонн! Понятно, что физиков удержало от постройки такой машины столь «весомое» соображение!

Да, беда в том, что вес магнита растет, как куб энергии, до которой разгоняются частицы в этой машине. Слишком быстро растет!

Значит, надо менять конструкцию машины. Магнит столь тяжел потому, что частицы надо ускорять, как говорится, от нуля.

В начале ускорения частицы имеют ничтожные скорости. Затем они раскручиваются по спирали. Диаметр витков все более растет. И на каждом витке за ними должен следить магнит, предупреждая растущее их желание сорваться с магнитной цепи и врезаться в стенки камеры. Оттого-то магнит и должен охватывать всю камеру.

Раскручивающиеся… Это наводит на интересную мысль. Момент, пока лошади выбегают на манеж цирка, для нас ведь не главный. Другое дело, когда они, выстроившись, бегут по кольцу, огибая барьер манежа — вот когда мы глядим в оба.

По кольцу, по кольцу…

Почему бы не заставить и частицы в ускорителе бежать по кольцу? Ускорять их не от нуля, а от уже солидной энергии? Приготовить энергичные частицы в каком-нибудь другом, не таком мощном ускорителе, а затем «впрыснуть» в основной? И магнит можно будет взять куда легче, и поле его можно будет сделать побольше!

Так родилась идея синхрофазотрона. А вещественным ее воплощением стали дубненская и ряд других аналогичных машин.

В дубненском агрегате ускорение протонов происходит в три этапа.

Протоны, получаемые, как обычно, при разложении водорода, выходят в трубку, между электродами которой приложено напряжение 600 тысяч вольт. Затем они поступают в линейный ускоритель (того типа, который когда-то сделал Видероэ), где набирают энергию в девять миллионов электрон-вольт.

И только после этого впрыскиваются в камеру синхрофазотрона.

Магнитное поле в этой машине уже не постоянно, а меняется в такт с электрическим полем. Поэтому момент и направление впуска протонов в камеру приходится выдерживать с огромной точностью — куда точнее, чем даже момент и направление запуска космической ракеты.

Сотые доли секунды, десятые доли градуса — нам это казалось верхом точности. А в синхрофазотроне речь идет о миллионных долях секунды и чуть ли не тысячных долях градуса! Малейшая ошибка — и пучок протонов, вместо того чтобы ускоряться, врежется в стенки камеры.

Изволь после этого очищать камеру, готовить новую порцию протонов.

Поэтому все операции на ускорителе делает автоматика. Она не придет на работу, не выспавшись, у нее не дрожат руки, не застилает от напряжения глаза. Но за нею тоже нужен глаз да глаз. Поэтому на ускорителе — как на большом заводе: на десяток «руководящих» физиков приходятся сотни инженеров и техников.

С каждым годом «промышленность космических энергий» — иначе не назовешь! — пополняется новыми машинами.

Уже в Америке и Швейцарии работают синхрофазотроны, разгоняющие протоны до тридцати миллиардов электрон-вольт. У нас под Серпуховом скоро вступит в строй машина на семьдесят миллиардов электрон-вольт.