Во время первого полета человека на Луну в 1969 г. астронавты на космическом корабле «Аполлон-11» сообщили о любопытном явлении. Когда, укладываясь спать, они закрывали глаза, то видели случайные точечные световые вспышки. На Земле вскоре догадались, что вспышки вызваны входящими в состав космических лучей тяжелыми атомными ядрами, которые ударялись о космический корабль. Количество энергии, которое каждое ядро передавало сетчатке глаза астронавта, было больше порога стимуляции светочувствительных клеток сетчатки.
Вскоре после полета это предположение проверили. Ускоритель протонов высоких энергий Лаборатории Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли (Bevatron), построенный в начале 50-х годов, только что был реконструирован для ускорения более тяжелых ядер, чем отдельные протоны. Эдвин М. Мак-Миллан, который был тогда директором лаборатории, вызвался подставить голову под пучок тяжелых ядер большой энергии, имеющий малую интенсивность. Он увидел такие же вспышки, как и астронавты.
С тех пор в столкновениях ядер высокой энергии были обнаружены явления, объяснить которые оказалось гораздо труднее. Например, в результате столкновений возникают объекты, названные аномалонами. Это ядерные фрагменты, которые испытывают новое столкновение, пролетев удивительно короткое расстояние. Иногда в столкновениях «проглядывают истоки» сил, связывающих нуклоны (т.е. протоны и нейтроны) в ядре.
Полагают, что это проявляется активность кварков — введенных теоретиками составных частей протонов и нейтронов. Вполне вероятно, что при экстремальных температурах и давлениях, которые возникают при столкновениях ядер высокой энергии, будут образовываться новые состояния ядерного вещества, подобные тем, что существовали, когда возраст нашей Вселенной исчислялся миллионными долями секунды. Почему вспышки, вызываемые в глазу столкновениями ядер высоких энергий, были открыты астронавтами в космическом пространстве, а не каким-нибудь пассажиром авиалайнера, собравшимся вздремнуть?
Главная причина заключается в скорости потери энергии ядром при столкновениях в веществе. Эта скорость пропорциональна квадрату электрического заряда частицы-снаряда, участвующей в столкновении. Таким образом, ядро железа из космических лучей, которое, после того как все электроны, входившие в состав атома железа, были ободраны, стало ионом с положительным зарядом в 26 единиц, теряет энергию со скоростью в 26/2 = 676 раз больше, чем протон из космических лучей, имеющий ту же скорость. Кроме того, тяжелые ядра из космических лучей с большей вероятностью разваливаются во время столкновений с ядрами газов в верхних слоях атмосферы, поэтому они не могут проникнуть в нижние слои атмосферы.
Задолго до полета «Аполлона-11» способность тяжелых ионов быстро терять энергию в веществе заставила медиков пропагандировать ускорители тяжелых ионов. Они доказывали, что одно попадание такого иона может убить раковую клетку, а не просто нарушить ее активность. (Биологические повреждения, вызываемые в большинстве случаев радиоактивным излучением, происходят из-за появления в клетках перекисей и других химических радикалов.)
В начале 70-х годов работало несколько ускорителей тяжелых ионов, но их пучки могли проникнуть в ткань на глубину всего лишь нескольких миллиметров. Для разгона ионов до больших энергий требовались ускорители, кольца которых имели бы такие же размеры, как у ускорителей элементарных частиц. Физики не хотели закрывать старые ускорители, такие, как Bevatron, — они нашли им новое применение. Была сконструирована вакуумная линия транспортировки пучка, по которой линейный ускоритель тяжелых ионов HILAC (Heavy-Ion Linear Accelerator) мог посылать свой пучок в Bevatron.
Ионы с энергией 8,5 МэВ на 1 нуклон (т.е. 8,5 млн. электрон-вольт на каждый протон и нейтрон ядра) теперь могли быть ускорены до такой огромной энергии, как 2 ГэВ (2 млрд. электронвольт) на 1 нуклон. Эта комбинированная установка, названная Bevalac, смогла впервые ускорить тяжелые ядра в лабораторных условиях до скоростей, достигающих 95% скорости света, и тем самым сообщить им энергию, приближающуюся к энергии космических лучей.
Эти скорости и энергии называют релятивистскими, потому что тела, движущиеся со скоростями, составляющими заметную часть скорости света, ведут себя в соответствии с предсказаниями специальной теории относительности (релятивизма). Тогда же в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (СССР) на ускорителе, называвшемся синхрофазотроном, начали ускорять ядра углерода до энергии, в два раза большей, чем на ускорителе Bevalac. Пучок, однако, имел меньшую интенсивность.
