Охота за кварками
Шрифт:
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,
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,
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.
Перечень возможностей для использования в земной практике космических лучей довольно велик. Прибавим еще, что археологи пытаются с их помощью обнаружить погребальную камеру в пирамиде Хефрена.
Конечно, не только мюоны, но и другие элементарные частицы могут быть задействованы в космическом рентгене. В геологии большие надежды возлагаются на разведку недр с помощью нейтронов. Хотят воспользоваться тем, что некоторые химические элементы — например, вольфрам — активно поглощают медленные (холодные) нейтроны. Поэтому по ослаблению энергии пучка нейтронов можно обнаружить в породах даже малые примеси таких элементов.
Ученые надеются использовать для «просвечивания» огромных масс земной поверхности и потоки нейтрино.
Так можно определять месторождения полезных ископаемых — нефти и металлов, познавать глубинную структуру нашей планеты.
Он, Она и пи-мезон
У создаваемых на мезонных фабриках пучков нейтронов, мезонов и нейтрино — забот будет по горло. Ученые получат новый инструмент для исследований, прикладники — полигон для испытания новейших технологий, возможность на качественно новом уровне решать народнохозяйственные задачи.