Чтобы понять мир на самом маленьком уровне (который уже даже не микро), стоит начать с самой первой субатомной частицы, которую мы открыли - электрона. Мало того, что она полна загадок и противоречий, так ещё и стала краеугольным камнем во всей истории физики частиц.
Электрон оказался относительно простым для наблюдения, потому что его легко отделить от атома. Достаточно сильного электрического поля и электроны покидают металл, приобретая кинетическую энергию.
Когда такие свободные электроны сталкиваются с чем-то ещё, энергия высвобождается в виде света, и металл начинает светиться. Этот эффект и используется на практике.
В классическом опыте Томпсона, который привёл к открытию электрона, положительно заряженная пластина имела форму мальтийского креста. Электроны, пролетающие мимо, отбрасывали тень - те, что попадали на электрод, останавливались, а остальные двигались дальше и создавали свечение на экране. Если бы вы читали эти строки десяток лет назад, они бы идеально описывали работу старой доброй электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Которая по совместительству нефигово подсаживала зрение.
Наблюдая такие столкновения, учёные выяснили (логика банально строилась на подтверждении предположения по специфике поведения), что электроны имеют отрицательный заряд и постоянное отношение заряда к массе. Это дало нам уверенность, что электроны - это отдельные частицы. Именно Дж. Дж. Томпсон заслуженно считается первооткрывателем электрона. Позже эксперименты только подтвердили, что электроны ведут себя как самостоятельные объекты, и их существование не вызывает сомнений.
Но как насчёт других частиц? Их гораздо сложнее вырвать из атомов, однако некоторые атомы сами выпускают высокоэнергетические частички - так проявляется радиоактивность. Эти частицы могут сталкиваться с другими атомами и порождать новые частицы. Ещё один источник - космические лучи. Частицы с колоссальной энергией, прилетающие из глубокого космоса, тоже сталкиваются с веществом и создают лавину новых частиц.
Чтобы их увидеть, применяют облачные и пузырьковые камеры. Заряженные частицы ионизируют молекулы переохлаждённого газа или перегретой жидкости, создавая видимые следы. По сути, газ стремится сконденсироваться, а жидкость - закипеть. Частица возмущает среду, и мы получаем крошечные светящиеся тропинки, которые можно сфотографировать. Магнитное поле искривляет траектории частиц в зависимости от их массы и заряда, что позволяет учёным вычислять их свойства.
В этих камерах видны и следы электронов, и следы других частиц с различными зарядами и массами. Многие из них распадаются на более лёгкие частицы. Анализ этих свойств (массы, заряда, спина, времени жизни) показывает, что частицы относятся к ограниченному числу типов, и каждая из них идентична своим собратьям по всему миру. Это и есть субатомные частицы.
Раньше учёные ждали, пока космические лучи случайно попадут в камеру, делая фотографии, которые приходилось месяцами изучать вручную. Позже люди начали создавать свои космические лучи с помощью ускорителей частиц. Они давали частицам достаточно энергии для расщепления атомов и рождения множества новых частиц. Так экспериментальная физика перешла на новый уровень. Вместо редких случайных событий появилась управляемая лабораторная буря частиц.
На фотографиях из пузырьковых камер можно видеть сотни одинаковых частиц, например пи-мезонов, которые рождаются в ускорителе и распадаются на другие частицы. Изучая эти процессы, физики восстанавливали свойства частиц и проверяли, нет ли уже таковых.
Со временем количество данных стало настолько огромным, что анализ стал невозможен без компьютеров. Так появились современные детекторы - сцинтилляторы, проволочные камеры, ПЗС-матрицы или всё для того, чтобы понять, куда движется частица, как на неё влияют поля и какие у неё свойства.
Современные коллайдеры и сложные детекторы, такие как ATLAS - это всего лишь усовершенствования этих простых идей. Каждый слой измеряет разные свойства, а весь комплекс позволяет увидеть невидимое.
Итог прост. Мы знаем о существовании субатомных частиц не потому, что видим их напрямую, а потому что видим их воздействие на окружающий мир. Анализ этих взаимодействий открывает закономерности, указывая на ограниченное число маленьких, но фундаментально важных объектов - строительных кирпичиков нашей Вселенной.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями