Охотники за частицами
Шрифт:
Новый принцип ускорителя можно назвать одним словом: праща. Да, частицы, двигаясь по кругу, наращивают свою скорость так же, как камень в праще.
Гигантские пращи обошли всю мировую печать, под названием синхроциклотронов и синхрофазотронов. Но, с удивленным уважением разглядывая их фотографии, мы обычно не задумываемся над тем, что они действуют по тому же принципу, который открыл наш гениальный первобытный предок.
Не знаю, развлекался ли американец Эрнст Лоуренс когда-нибудь на «колесе смеха». Но путь частицы в придуманном им циклотроне удивительно напоминает путь человека, задумавшего
Да, прикладывать напряжение по «кусочкам» можно не только на прямой беговой дорожке, но и на дорожке стадиона. Для этого нужно лишь завернуть бегуна.
Наш бегун — заряженная частица. И вы уже догадываетесь — нам это встречалось не раз, — что завернуть частицу можно магнитным полем.
Так оно и есть. Беговую дорожку для частиц Лоуренс поместил между полюсами сильного магнита. Размеры установки сжались. Вместо десятков электродов, как это будет у Видероэ, Лоуренс ограничивается двумя.
У Видероэ именно «будет»: первый циклотрон Лоуренса заработал еще в 1934 году.
Циклотрон. Электроны впускаются в циклотрон между дуантами, а затем, разгоняясь в электрическом поле, описывают по мере нарастания их энергии раскручивающуюся спираль. На последнем ее витке они либо выводятся из ускорителя, либо падают на мишень, установленную внутри ускорительной камеры. Подобным же образом разгоняются протоны и ионы в современных циклотронах. Они служат для изучения ядерных реакций и для искусственного получения ядер трансурановых элементов.
Вот на рисунке вы видите две полые коробки. Называются они дуантами, а выполняют роль электродов. Питает их переменное напряжение. Частота его подобрана так, что частица — например, тот же протон — получает шлепок именно в тот момент, когда она переходит из одного дуанта в другой.
Но протон ведь движется все быстрее и быстрее! Значит, шлепки не будут поспевать за ним? Опасения излишни: протон раскручивается по спирали, как наш весельчак на «колесе смеха». Выше скорость — шире виток спирали, больше пройденный путь — и то же время оборота.
Засеките время, когда мимо вас на колесе промчится человек, и отмечайте это время каждый раз. Вы увидите, что, как бы он ни старался, он будет делать полный оборот за одно и то же время. Только скорость вращения пассажира зависит от скорости колеса, а скорость вращения электрона — от частоты переменного напряжения.
И, наконец, частица вылетает вон из циклотрона, подобно камню из пращи. Что ж, скорость ее довольно велика: протон в циклотроне может набрать энергию до 25 миллионов электрон-вольт. При столь энергичной бомбардировке ядерные реакции идут уже полным ходом. Из ядер летят целые тучи частиц, — и среди них нет ни одной искомой. 25 и 300 миллионов электрон-вольт — слишком далеки они друг от друга!
Но почему только 25 миллионов электрон-вольт? Почему не
Это верно. Цель оправдывает любые средства. Ради знания глубочайших тайн мироздания сегодня строятся десятки могучих машин, — а каждая такая машина стоит колоссальных денег. «Дороговаты нынче электрон-вольты!» — как-то шутливо заметил один физик, и в этой шутке большая доля правды.
Причина того, что циклотрон не дает частицы с желанной энергией, вовсе не в деньгах, а в… самих частицах. Они — существа упрямые. Первым подметил их упрямство — еще задолго до появления первого ускорителя — Альберт Эйнштейн.
Дело в том, что частицы, по мере того как их скорость приближается к скорости света, все сильнее сопротивляются дальнейшему ускорению. Проявляют это они единственным доступным им способом: увеличивают свою массу. Это необычайное поведение и предсказала теория относительности.
И это же поведение вызывает самые плачевные последствия в циклотроне. Электрическое поле в нем приготовилось в очередной раз шлепнуть частицу, а та «отяжелела», разленилась и не поспела к шлепку в назначенное время. Шлепок пришелся по пустому месту.
И это даже полбеды. После шлепка поле повернулось в обратную сторону. Если теперь частица подойдет к промежутку между дуантами, поле, вместо того чтобы ускорить, напротив, замедлит ее!
Великая вещь — действовать «в такт»! Попробуй-ка раскачай качели, то толкая их, то задерживая. Седоки вряд ли будут довольны.
Но закон есть закон. Обойти его нельзя. Примириться тоже не хочется. В стене перед заветной областью больших энергий стоит поискать лазейку.
И в 1944 году эту лазейку, почти одновременно и совершенно независимо друг от друга, находят советский физик Владимир Иосифович Векслер и американский ученый Эдвин Мак-Миллан. Лазейка называется по-научному «принцип автофазировки».
…Есть такой красивый цирковой номер. На афишах он обычно набирается аршинными буквами: «Дрессированные лошади! Труппа под руководством заслуженного артиста такого-то… Смотрите! Спешите!»
Под звуки бравурного марша на манеж вылетает десяток белых лошадей, за ними, кувыркаясь, выбегают лихие джигиты. И, наконец, не спеша появляется в красивом камзоле дрессировщик с хлыстиком. Лошади бегут по кольцу все быстрее и быстрее, джигиты на полном ходу то вскакивают на спины лошадей, то виснут под брюхом, то снова спрыгивают на землю — быстро, легко, красиво. Одним словом, цирк. А лошади, как ни в чем не бывало, бегут плотным строем.
Вот такой «цирк» и решил устроить Векслер с протонами в циклотроне. Протон, отяжелевший от огромной скорости, подобен лошади, на спину которой вскочил наездник. Быстрее, быстрее летит лошадь — второй, третий наездник влезают на нее, затем на плечи друг другу, — по кругу несется уже целая живая пирамида. А дрессировщик, чтобы лошадь не замедляла своего движения, все чаще подгоняет ее взмахами хлыста.