Открытие субатомных частиц в начале XX века обернулось технологической проблемой: как наблюдать за этими ничтожно малыми объектами? Проблема усугублялась тем, что большинство субатомных частиц живут крайне мало. Сегодня физики уже выяснили, что Вселенная состоит из 18 фундаментальных частиц; большинство из них открыли, организовав высокоэнергетическое столкновение атомов, из-за чего атомы дестабилизировались. Как ученые наблюдают субатомные частицы, рассказываем в этом материале, подготовленном по книге «Главное в истории науки».
Пузырьки пенного как источник вдохновения
В 1911 году была изобретена камера Вильсона (туманная камера), где частицы на большой скорости пропускались сквозь густой водяной пар. Частицы заряжали молекулы, оставляя след, который запечатлевался на фотоснимке. К 1950-м систему усовершенствовали — появилась пузырьковая камера; говорят, изобретателей вдохновили пузырьки, образующиеся в пиве.
Старая пузырьковая камера. Фото из книги.
В камере содержится переохлажденный жидкий водород — под высоким давлением и на грани кипения. Проходящие частицы заставляют водород кипеть и оставляют за собой характерный след. Четкая криволинейная траектория частицы сообщает о ее заряде, массе и энергии. Пузырьковая камера и камера Вильсона стали важнейшими инструментами в открытии экзотических частиц — таких как позитрон и мезон. К концу XX столетия эти камеры повсеместно заменили электронные детекторы.
Ленивые нейтрино
В процессе некоторых ядерных реакций нейтроны распадаются на протоны, выпуская электроны. В сумме продукты этого распада не составляют ту же массу, что была у частицы изначально. Высвобождается еще одна частица — нейтрино (нейтрино принимает участие в бета-распаде). У нейтрино есть своя масса, однако настолько ничтожная, что физики до сих пор бьются над тем, чтобы точно ее измерить. К тому же нейтрино живут недолго и неохотно взаимодействуют с другими частицами.
В попытках получить хоть какую-то информацию ученые установили детекторы нейтрино в таких местах, где на них не действуют космические лучи: на дне океана, под антарктическими льдами, в заброшенных шахтах на большой глубине. Нейтрино, проходящий сквозь такой детектор, может столкнуться с атомом и спровоцировать вспышку излучения, которую зафиксирует сверхчувствительная камера. Нейтрино очень распространены и составляют большое количество вещества во Вселенной. Ежесекундно около 65 миллиардов солнечных нейтрино пронизывают каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Тем не менее даже крупнейшие детекторы улавливают лишь около десяти частиц в день.
Геодезическая сфера, установленная под землей на глубине 2500 метров в шахте Крейтон, в Нейтринной обсерватории Содбери, Онтарио, Канада. Фото из книги.
ATLAS — 40 миллионов столкновений ежесекундно
У Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе — центре ядерных исследований на границе Франции и Швейцарии — восемь детекторов. Крупнейший из них, ATLAS, сыграл главную роль в открытии бозона Хиггса в 2012 году. Эта новая частица, для обнаружения которой и построили БАК, придает частицам вещества, таким как электроны и протоны, массу.
ATLAS весит 7000 тонн, достигает высоты шестиэтажного дома, а в длину сопоставим с «Боингом-373». В центре его находится камера, где сталкиваются протоны, обладающие энергией, какой не существовало во Вселенной со времен Большого взрыва. Частицы, образованные в результате столкновения, рассеиваются во всех направлениях. Каждая проходит свой путь, взаимодействуя с сильным электромагнитным полем, окружающим камеру. Затем частицы движутся сквозь слои кремниевых детекторов, которые отмечают их позиции, закрепляя за каждой одну из 80 миллионов возможных локаций внутри ATLAS. Далее частицы проникают сквозь более толстые ленты кремния, прежде чем направиться к внешним детекторам, способным определить массу, энергию и другие свойства каждой частицы. ATLAS отслеживает 40 миллионов столкновений протонов каждую секунду.
Установка детектора ATLAS в Большом адронном коллайдере, ЦЕРН, Швейцария
БАК снабжен также детекторным комплексом ALICE, который исследует, что случается, когда ядра более тяжелых атомов свинца сталкиваются друг с другом. Ядра содержат протоны и нейтроны, состоящие из кварков. Кварки соединены между собой глюонами, которые контролируют наиболее мощную силу во Вселенной — сильное взаимодействие.
С помощью ALICE — это акроним от A Large Ion Collider Experiment («Эксперимент на большом ионном коллайдере») — ученые могут наблюдать, как сильное взаимодействие создает материю в том виде, в каком это происходило на ранних этапах существования Вселенной.
Из книги «Главное в истории науки».
