Охота за кварками

Да, ускорители словно бы напичканы парадоксами.

Ныне это главное орудие для изучения фундаментальных законов микромира. Но то обстоятельство, что столь большие и сложные устройства необходимы для исследований столь ничтожных малюток, поражает, озадачивает, интригует и настораживает.

Быть может, как выразился один физик, эксперименты, выполненные на этих сверхмашинах, отчасти напоминают… «строительство шоссе для изучения химических свойств бетона»!

Ведь вполне возможно, что наблюдаемые явления (рождение новых частиц, к примеру) могут отражать не столько основные законы, сколько артистическое искусство экспериментаторов.

Что же происходит в ускорителях? В исчезающе малых объемах пространства в мельчайшие отрезки времени при соударениях концентрируются грандиозные порции энергии. (Частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света, никогда ее не достигая, их релятивистская масса растет, и точнее было бы говорить не об «ускорителях», а об «утяжелителях».) Этот сгусток энергии по неизвестным законам и порождает весь тот сонм объектов, незнакомых и странных, который мы — скорее по инерции, чем по существу, — называем элементарными частицами. И вряд ли уместно тут говорить о каком-то расщеплении и представлять себе ускорители этакими «атомодробителями».

А коль так, что ж удивительного, если машины, предназначенные для постройки шоссе, и могут лишь строить шоссе, не более. Казалось бы, было странным, если бы они стали делать что-либо кроме…

Шляпы долой перед экспериментаторами!

С космических высот внимание инопланетян привлек загадочный объект на Земле — огромное, в несколько километров, кольцо. Если бы инопланетяне захотели познакомиться с таинственным кольцом поближе, то под толстым слоем насыпи они обнаружили бы кольцевой коридор-туннель, в котором при желании можно было бы устраивать велосипедные гонки.

Но настоящие гонки увидели бы в расположенной в туннеле вакуумной трубке диаметром в несколько сантиметров. В ней мчится со скоростью, достигающей 99,999 процента от скорости света, пучок протонов…

Один иронически настроенный физик писал так:

И нам стоило бы написать об ускорителях не главу, а целую книгу. Надо было бы рассказать, как росла мощь ускорителей, их размеры, как они постепенно превращались в своеобразных динозавров техники (нет, мы вовсе не хотим сказать, что, как и древние рептилии, ускорители вскоре вымрут!).

Только в книге достаточно большого объема можно было бы перечислить все типы ускорителей: ускорители линейные, циклические; все эти космотроны, фазотроны, микротроны, бетатроны, синхротроны, синхрофазотроны…

Вникнуть в тонкости ускорителей на встречных пучках.

Рассказать о новейших коллективных методах ускорения заряженных элементарных частиц. Поведать долгую историю совместных поисков физиков и инженеров. Но оставим все это до другого раза, будем говорить лишь о главном.

Возможно, когда-нибудь физикам удастся обнаружить и приручить монополи, эти однополюсные магнитики.

Тогда в ускорительном деле, видимо, произойдет подлинная революция. Ведь под действием сильных магнитных полей монополь мог бы приобрести огромную энергию на очень малых — десятки метров — расстояниях. Сейчас же для этого протону или электрону требуются километры пути.

Отчего так долог путь, а размеры ускорителей столь велики? Да потому, что частицы ускоряются в электрических полях (отсюда и стандартная единица измерения энергии ускоренных частиц — электронвольт, сокращенно эВ: энергия, приобретенная электроном при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). А магнитное поле, не меняя скорости частиц, лишь формирует ее траекторию (обычно это спирали; разработка ускорителей современного типа началась с 1944 года, здесь очень велика заслуга советского академика В. Векслера (1907–1966), он предложил принцип автофазировки, который позволил поднять предел достигнутых энергий частиц сразу в тысячи раз!).

Электрическое поле слабенькое. А физикам сейчас нужны уже не мегаэлектронвольты, МэВ'ы (10⁶ эВ) энергии, а гигаэлектронвольты, ГэВ'ы (10⁹ эВ) и даже тераэлектронвольты, ТэВ'ы (10¹² эВ). Требуется все более мощная электронная и протонная стрельба (подсчитано, что энергия пучка протонов в современном ускорителе эквивалентна энергии снаряда весом в десятки килограммов, летящего со сверхзвуковыми скоростями). Обеспечить такие большие энергии слабым электрическим силам затруднительно: поневоле приходится все больше удлинять пути разгоняемых частиц — ускорители становятся все грандиознее.

В 1967 году, в канун 50-летия Советской власти, в городе физиков Протвине (он расположен вблизи Серпухова, там, где Московская область граничит с Калужской и где течет маленькая речка Протва. Это место было облюбовано физиками потому, что континентальный щит здесь ближе всего подходит к поверхности Земли, и тут проще всего было организовать защиту от вредных излучений), в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ), был запущен на проектную мощность (позднее она была доведена до 76 ГэВ) Серпуховской ускоритель — кольцевой протонный синхротрон. До 1972 года (только тогда были введены в строй более мощные ускорители в Швейцарии и в США) он был крупнейшим из ускорителей.

А сейчас в Советском Союзе, в том же Протвине, строится уникальный ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ с расчетом на энергии до 3 ТэВ. Этой проблемой заняты коллективы многих институтов страны: Института физики высоких энергий, НИИ электрофизической аппаратуры, Радиотехнического института и других.

Длина ускорительного магнитного кольца вакуумной камеры нового синхротрона достигнет 20,772 километра!

Это больше, чем лента Садового кольца в Москве (длина кольца старого Серпуховского ускорителя — 1500 метров). В подземном туннеле, схожем с метро, диаметром 5 метров в 1990 году — срок пуска комплекса — посреди магнитов, размеры которых не могут отклоняться более чем на 25 микрон (хотя электромагнитные силы, создаваемые током в 6600 ампер, стремятся их деформировать), промчится протонный пучок. Его толщину с точностью до 1 миллиметра будут выдерживать 1200 специальных корректоров. Работой их, а также всего ускорительно-накопительного комплекса будет управлять электронный мозг: 85 мини-ЭВМ, около 500 микро-ЭВМ и несколько тысяч встроенных в аппаратуру микропроцессоров.

Но как ни грандиозно само по себе кольцо ускорителя, оно лишь малая часть всего сооружения. Рядом с ускорителем возводится энергокорпус и несколько экспериментальных залов, где разместятся многочисленные лаборатории, нафаршированные автоматическими системами для обработки фотографий с пузырьковых и искровых камер, отклоняющие магниты (их вес на старом ускорителе — 200 тонн!), высокочастотные сепараторы частиц и многое прочее.

Все эти экспериментальные залы, занимающие площадь в несколько гектаров, галереи и павильоны будут сплошь заставлены сложным электротехническим оборудованием, которое можно изготовить только на больших электротехнических и машиностроительных заводах. Во г почему все то, что создается вокруг ускорителя, требует финансовых затрат еще больших, чем стоимость самого ускорителя.

Современные ускорители, эти мастодонты науки, поражают воображение. Говорят, будто этот «микроскоп микромира» — просто прибор, только очень большого «роста». Прибор? Скорее это гигантский завод, фабрикующий элементарные частицы. Зачем нужны такие дорогостоящие махины?

Этот вопрос мы еще будем обсуждать. А пока остановимся и в знак нашего восхищения просто снимем перед экспериментаторами шляпу.

Времена одиночек прошли

Кто-то сказал: «Проникнуть в одиночку в тайну ядра так же трудно, как одному, без помощи многих других людей, слетать на Луну». Золотые слова: достижения в физике микромира теперь уже совершенно немыслимы без коллективных усилий.