Охота за кварками

Мюоны — это электроны, только гигантских размеров. Зачем они? Ведь электроны прекрасно справляются со своей ролью в природе, никакой помощи от мюонов им не нужно. Сейчас, правда, полагают, что мюоны и другие диковинные частицы были необходимы в давние времена, на ранних этапах эволюции Вселенной. Возможно еще, что они трудятся в недрах далеких звезд. Но па Земле мюоны явно оказались без дела, и считается, что они остаются «безработными» до сих пор.

Мезонные фабрики

В доводах тех, кто отказывает микрофизике в большом будущем, есть, несомненно, доля истины. Ведь по мере продвижения в глубь материи разрыв в масштабах времен, длин, массы — между тем, что окружает человека, и тем, что он наблюдает, все увеличивается. И мы уже попросту вынуждены наполовину жить в стране абстракций, в иллюзорном, фантастическом мире.

Во всем этом — тщете представлений, в ломке взглядов — есть и глубокий трагизм. По существу, человек сам разрушает свой мир, ту область, экологическую нишу, так сказать, где ему так легко и свободно (имеются в виду представления!) дышалось. Он добровольно отказывается от тысячи понятий, сопровождавших его в жизни на каждом шагу. В поисках истины исследователи по камушкам, по досточкам разбирают лежащий под их ногами и без того крохотный мосточек, простершийся над бескрайним бушующим океаном природы.

Но нет худа без добра! Немало теряя, мы много и приобретаем: новые технологии, понимание скрытой сути вещей. Одно из этих достижений осознание того факта, что при погружении в микромир связь между совершенно разнородными, как прежде казалось, силами-стихиями становится все крепче.

Вспомним про ядерную демократию, про этот чудесный механизм «взаимной поддержки», «самосогласованности» элементарных частиц, когда оказывается, что в мире буквально все важно и значительно, что здесь нет пылинок, мелочен, второстепенного, где все завязано в один тугой узел, где бессмысленно рассматривать, скажем, протон без мезонов и всех других частиц, где только полная совокупность всех сил и явлений природы, порождающей саму себя, и творит данный нам в ощущениях мир.

Но отсюда следует и вывод практического порядка: только выяснение достаточно полной картины микромира позволит понять и столь важные для нас с точки зрения приложений ядерные силы. Таким образом, неожиданно выясняется, что физика элементарных частиц познает не только искусственный мир, не только далекие от жизни фантомы, но и структуру далеко не безразличной для нас области природы.

Вот так возникают очертания моста, соединяющего физику ядра и физику элементарных частиц, а также эти разделы фундаментальной физики с прикладными областями.

Как все это реализовать в практическом плане?

В ближайшие годы в подмосковном городе Троицке (Красная Пахра), где расположен Научный центр АН СССР, в Институте ядерных исследований (ИЛИ, его директор — академик АН Грузии А. Тавхелидзе, да, тот самый, кто вместе с Н. Боголюбовым сделал кварки цветными) начнет работать совершенно необычная фабрика… мезонная.

Еще с 70-х годов лексикон физики элементарных частиц пополнился новым термином — «мезонные фабрики». Речь тут шла, по сути, об ускорителях. Но дело было уже не в том, чтобы создавать колоссы в погоне за рекордными энергиями частиц, а чтобы на этих новых ускорителях получать пучки элементарных частиц с плотностями в тысячи раз большими, чем в пучках традиционных ускорителей.

Энергия мезонной фабрики в Троицке всего 600 МэВ (таковы параметры монтируемого там линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода), но зато ток пучка достигнет 1 миллиампера, так что мощность пучка — 0,6 МВт уже будет сравнима с мощностью небольшой электростанции.

Зачем нужны большие плотности пучка частиц? Чтобы прежде всего повысить точность экспериментов на ускорителях. Число измеренных событий, очевидно, пропорционально числу частиц в пучке. Надежность экспериментов поэтому возрастет.

А еще столь мощные пучки позволяют создать достаточно плотные и пучки вторичных частиц: поляризованных протонов и тепловых, холодных и ультрахолодных (с очень малой энергией) нейтронов, пучки пи-, ка-, и мю-мезонов (отсюда, видно, и родилось название «мезонные фабрики»), различных сортов нейтрино.

Схема получения мезонных и нейтринных пучков такова. При бомбардировке свинцовой мишени протонами рождаются пи- и ка-мезонные пучки, они фокусируются мощными магнитами и формируются в пучок, направляемый в нейтринный распадной канал. Там пионы распадаются на мюоны и нейтрино. Мюоны заворачиваются магнитным полем в мюонный экспериментальный зал.

Распадной канал заканчивается многометровой железной и земляной защитой. Она не пропустит ни одной частицы, кроме всепроникающих нейтрино, которые устремятся в особый нейтринный экспериментальный зал.

Так создается расходящийся веер пучков разной природы. Все это позволяет вести большое число (до 10^-15!) экспериментов одновременно.

Космический рентген

Постоянное дело мюоны получат через несколько лет, а вот аккордную работу эти частицы выполняли уже не раз. Об этом стоит рассказать.

Начнем с вопросов. Сколько весит столичная гостиница «Москва»? Или, допустим, Большой театр? Праздные вопросы? Но что, если под этими сооружениями необходимо пробить туннель метрополитена? Ведь тут надо точно знать, с какой силой то или иное здание-махина давит на грунт, то есть его необходимо взвесить и вес разделить на площадь опоры.

Что же делать? Как подступиться к этой необычной проблеме? Не высчитывать же порознь вес отдельных элементов здания и всей его «начинки».

Задача трудная, но разрешимая. И выручили тут людей… космические лучи. А точнее, наши знакомцы мюоны.

Прорываясь через земную атмосферу, первичное космическое излучение по ходу порождает ливень самых разных элементарных частиц, в том числе и мюоны. Они слабо взаимодействуют с веществами и потому способны проникать в глубь Земли на километры. Так и получается своего рода космический «рентген» для просвечивания земных пород, инженерных сооружений, да и того же Большого театра.

Приборы, которые используют для подобных измерений, уже созданы, они получили название «мюонных телескопов». В каждом несколько параллельных рядов счетчиков, фиксирующих мюоны, летящие в строго определенном направлении.

Итак, все готово для измерений. Под изучаемым объектом надо прорыть штольню и установить там мюонный телескоп. И измерить интенсивность дошедшего до счетчиков излучения. Чем больше плотность объекта, тем меньше мюонов дойдет до телескопа.

Так и поступили, когда потребовалось взвесить гостиницу «Москва». Она, как оказалось, весит 45 тысяч тонн и давит на грунт с силой 1,1 килограмма на квадратный сантиметр.

Мюонная диагностика проявила свои лучшие качества и когда под Москвой, недалеко от города Пущина-на-Оке, сооружался крупнейший радиотелескоп АН СССР «РАТАН-600». Дело было трудным: породы под выбранной для телескопа площадкой представляли хаотическую смесь из песка, глины, гальки, крупных и мелких валунов. Кроме того, близко к поверхности подходили подземные воды. Пришлось пробурить в грунте два десятка скважин: в каждую на глубину 10 метров поставить малогабаритные мюонные телескопы. И невидимые частицы «выписали» своего рода геологический разрез площадки.

Космический рентген на мюонах помогает решить и многие другие проблемы. Так, можно обнаружить пустоты в горных массивах (поток регистрируемых частиц, найдя пустоту, сразу возрастает). Такие каверны часто возникают на эксплуатируемых месторождениях полезных ископаемых. И следить за ними надо очень зорко, иначе неизбежны обвалы-аварии.

Мюоны помогают и при разведке полезных ископаемых. Сотрудники Московского геологоразведочного института отладили методику обследования в горах залежей полиметаллических месторождений. Здесь уже работают несколько независимых мюонных телескопов, прощупывающих твердь по разным зенитным и азимутальным направлениям.