В настоящее время физики научились бомбардировать мишени тяжелыми ядрами, летящими почти со скоростью света. Среди осколков, рождающихся в столкновениях ядер, — аномалоны, таинственные объекты, которые вновь сталкиваются с ядрами гораздо раньше, чем следовало бы ожидать.
Вспышки
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, который 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, входящие в состав атома железа, были ободраны, стало ионом с положительным зарядом в 26 единиц, теряет энергию со скоростью в 262 = 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.
Ионы и их ускорение
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.
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” мог посылать свой пучок в “Bevatron”.
Ионы с энергией 8,5 МэВ на 1 нуклон (т.е. 8,5 млн. электронвольт 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”.
Столкновение ядер
Столкновение ядер с ядрами при релятивистских энергиях можно разделить на три категории: периферические, промежуточные и центральные.
Такое деление до некоторой степени произвольно, но любое данное столкновение, как правило, можно, отнести к той или иной категории. В периферических столкновениях одно из ядер, — ядро-снаряд, — слегка задевает второе ядро — ядро-мишень, — или пролетает достаточно близко к нему, так что оба ядра взаимодействуют хотя бы посредством электрических сил.
Большой осколок ядра-снаряда продолжает двигаться вперед. В промежуточном столкновении ядро-снаряд ударяет ядро-мишень, но, так сказать, «не в лоб».
Например, падающее ядро может срезать половину ядра-мишени. Большие части обоих ядер полностью разрушаются. В центральных столкновениях ядро-снаряд попадает в мишень практически «в лоб». Затем смесь из двух ядер «разваливается», а импульс, имевшийся у падающего ядра, способствует движению осколков вперед.
Периферические столкновения заслуживают внимательного изучения. Результаты столкновений можно зарегистрировать разными типами детекторов. Например, это можно сделать с помощью фотографических эмульсий, в которых путь заряженной частицы сквозь слой бромида серебра виден как трек, образованный металлическим серебром, или в пузырьковой камере, где путь заряженной частицы сквозь перегретую жидкость, находящуюся под давлением, виден как трек из пузырьков (в сущности, заряженная частица вызывает локальное кипение жидкости).
Есть еще стримерные камеры, в них частица проходит через газ, к которому приложено высокое напряжение, и ее путь отмечается последовательностью электрических разрядов, похожих на маленькие молнии. Данные всех детекторов подтверждают, что фрагменты, возникающие в периферических столкновениях, мало отклоняются от направления движения падающего ядра.
Однако с помощью этих детекторов невозможно определить импульс (или скорость) фрагментов. Для этого используют дополнительную технику: столкновение ядер проводят в магнитном поле, которое искривляет траектории фрагментов, если у них есть электрический заряд.
Чем больше импульс фрагмента, тем меньше его траектория искривляется. Искривление можно измерить при визуальной регистрации трека или с помощью нескольких детекторов частиц, расположенных вокруг места столкновения. Измерения показывают, что фрагменты, возникающие в периферических столкновениях, имеют почти такую же скорость, как ядро-снаряд. Наблюдаются только небольшие отклонения, связанные с размером фрагментов; они максимальны, когда масса фрагмента равна половине массы ядра-снаряда. Некоторые изменения скоростей фрагментов связаны с изменением скорости нуклона в ядре.
Фрагменты, рождающиеся в периферических столкновениях при малых энергиях, ведут себя не так просто. При низких энергиях сталкивающиеся ядра взаимодействуют в течение отрезка времени, который на много порядков величины больше, чем время, необходимое для того, чтобы ядро начало колебаться или чтобы релятивистская частица пролетела сквозь ядро.
Поэтому даже в касательном столкновении ядра имеют возможность слиться, хотя бы частично. В результате образуется жидкая капля ядерного вещества, энергия которой достаточна для испарения нуклонов во всевозможных направлениях с различными скоростями.
Пионы
Большая часть энергии, выделяющейся при столкновении ядер высоких энергий, обычно превращается в массу в результате рождения множества экзотических нестабильных элементарных частиц, главным образом пионов (пионы — это самые легкие мезоны).
История пионов богата событиями. В 30-х годах Хидеки Юкава предсказал их существование в ядре в качестве «виртуальных частиц». Он доказал, что сильное взаимодействие, связывающее нуклоны в ядре, переносится частицами, которыми обмениваются нуклоны.
Этот обмен нельзя никак обнаружить, и пион появляется самопроизвольно как флуктуация ядерного состояния, будучи «виртуальным» (или «возможным»), а не реальным. Несмотря на эту «виртуальность», масса пиона, выраженная в единицах энергии, составляет 139 МэВ.
Интересное свойство проявляют пионы, рождающиеся в периферических столкновениях ядер высоких энергий. Многие отрицательно заряженные пионы как бы фокусируются: их притягивают положительно заряженные, летящие вперед фрагменты, приобретая их скорости и направление движения.
Это явление можно использовать практически. На ускорителях частиц в Лос-Аламосе, Ванкувере и Цюрихе пучки пионов получают в результате столкновений интенсивных пучков протонов высоких энергий. Используя ускорители тяжелых ионов, можно получить пионные пучки более экономным способом. В качестве тяжелых ионов следует выбрать ядра кремния-28.
Оказывается, что у движущихся в веществе пионов и ядер кремния-28 скорость потерь энергии, которая пропорциональна полной энергии частицы, одинакова. Поэтому не имеет значения, в какой точке внутри вещества в результате столкновения рождается пион: где бы в мишени ядро кремния-28 ни испытало столкновение, родившиеся отрицательные пионы будут хорошо сколлимированы с пионами, появившимися в других столкновениях.
