Доктор физико-математических наук Л. Н. СМИРНОВА, Научно-исследовательский институт ядерной физики (НИИЯФ) им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Значимым историческим циклом в физике высоких энергий считается период, связанный с созданием и эксплуатацией пузырьковых камер, представляющих собой детектор взаимодействий элементарных частиц, поставляемых ускорителями. Эксперименты проводили с 1952 г. до начала 1990-х годов, когда официально завершили практически все соответствующие проекты. И хотя анализ некоторых экспериментов продолжается до сих пор, с уверенностью можно сказать о приходе эры сложных комбинированных детекторов элементарных взаимодействий, осуществляемых на коллайдерах - ускорителях со встречными пучками частиц.

стр. 86

Пузырьковую камеру первым в 1952 г. построил Д. Глейзер (нобелевский лауреат 1960 г.) в Мичигане. Размеры ее составляли всего несколько кубических сантиметров, рабочей жидкостью служил диэтил эфир, источником излучения - радиоактивный изотоп Co⁶⁰ . Целью разработки послужила потребность в детекторе редких взаимодействий, вызываемых космическими лучами, природа которых в то время была непонятна физикам. Речь шла о нейтральных странных частицах. Мысленно Глейзер представлял большую прозрачную камеру, заполненную жидким водородом, установленную высоко в горах или даже выведенную на околоземную орбиту искусственным спутником.

Свою идею американский физик основывал на том, что ионизационные потери энергии быстрой частицей в перегретой жидкости должны приводить к образованию и росту пузырьков вдоль ее трека до размеров, позволяющих их сфотографировать. Следует отметить: перегретая жидкость - один из вариантов метастабильной системы, где частицы с минимальной ионизацией могут служить источником регистрируемых макроскопических объектов. Использование жидкости, в частности, позволило повысить точность измерения импульсов частиц по сравнению с газовыми детекторами. Кроме того, жидкая среда допускает фотографирование всего объема благодаря прозрачности, в отличие, скажем, от ядерных эмульсий. Последние анализируют путем разрезания облученного объема на отдельные слои и их поочередного просмотра.

Однако физики не сразу по достоинству оценили пузырьковую камеру, ибо с помощью камеры Вильсона*, электронных счетчиков и ядерных эмульсий они уже открыли целый ряд элементарных частиц разного типа: мюоны, мезоны, гипероны и др.

Мечты Глейзера использовать свое детище для изучения космических лучей оказались нереальными в первую очередь из-за малого времени сохранения в жидкости информации о прошедших треках (10^-4 с). То есть камера должна работать в быстро циклирующем режиме, тогда как события в космических лучах достаточно редки. Однако первая успешная регистрация их треков побудила к строительству второй камеры размером 15 см³ уже на пропане. Для ее испытаний выделили немного времени на пучке ускорителя как "легкомысленному" прибору, на который нельзя "тратить деньги налогоплательщиков". Работали "серьезные" электронные установки, а камеру разместили в зазоре на выходе частиц из ускорителя. И первые 36 кадров со снимками, сделанными обычным фотоаппаратом, принесенными в экспериментальный зал, произвели сенсацию: на пленке было отчетливо видно 20 событий последовательного распада частиц π → μ → е, лишь изредка регистрируемых в космических лучах в эмульсионных стопках, экспонируемых на воздушных шарах. И тогда пузырьковые камеры включили в программу финансирования. Их начали строить сразу во многих местах, в том числе в России, и они быстро росли в размерах и стоимости.

Доступность визуального анализа событий позволила открыть частицы, которые нельзя было наблюдать никаким другим детектором. В первую очередь речь идет о каскадных распадах странных частиц, чьи продукты полностью или частично ока-

* Ч. Т. Р. Вильсон, английский физик, лауреат Нобелевской премии 1927 г. (прим. ред.).

стр. 87

Снимок регистрации множественного образования и распада странных частиц в жидководородной камере при взаимодействии налетающего К'-мезона с импульсом 4,2 ГэВ/с.

Фотография полного распада ядра фтора, зарегистрированного в 1-метровой жидководородной камере ОИЯИ.

зались зарегистрированы на снимках. Эти данные, как и множество иной информации, полученной с помощью пузырьковых камер, захлестнули научные журналы. В конце 1960-х годов количество результатов только по мезонам и странным барионам, официально зарегистрированных в Мировом каталоге (Particle Data Group), втрое превышало соответствующий показатель для экспериментов на электронных счетчиках.

Что касается странных частиц, то увеличившееся пространство внутри пузырьковых камер оказалось соизмеримо с их пробегом до момента распада, а достаточная для измерений длина треков продуктов распада позволяла с высокой точностью определять их характеристики.

Таким образом, была получена информация о процессах множественного рождения частиц при взаимодействиях высоких энергий. Совокупность результатов, полученных в 1960-х годах, легла в основу SU(3) симметрии*, и открыла дорогу идее кварков как фундаментальных "кирпичиков" мира элементарных частиц.

К 1970 г. по программе пузырьковых камер в США работали 4 исследовательских института: Аргонская и Брукхэвенская национальные лаборатории, Лоуренсовская радиационная лаборатория, Стенфордский центр линейных ускорителей, а также 34 университета. Их оснащение измерительно-вычислительными приборами позволяло обрабатывать около 600000 событий/год.

Не отставала и Европа. Так, с 1956 по 1966 г. в университетах Великобритании построили четыре камеры с тяжелой жидкостью (пропан и др.) и столько же - с жидким водородом. Аналогичные камеры появились во Франции, Германии и Швейцарии.

Многие из них работали на пучках ускорителя ЦЕРНа - Европейской лаборатории ядерных исследований, созданной в 1954 г. В ее становлении участвовали и американские физики, уже имевшие опыт работы, и европейские группы ученых, трудившихся в США.

В России пузырьковые камеры начали строить в 1955 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ, Москва). Первые три создали на пропане. Диаметр двух из них составлял 10 см, глубина - 7 и 10 см. На них измеряли ионизационные потери частиц и исследовали космические лучи. На третьей камере размером 27x9,5x6 см изучали угловые корреляции в распадах π → μ → е. Каждая из них работала около двух лет без магнитного поля.

В 1956 г. в ИТЭФ построили первую в Европе жидководородную камеру. Ее диаметр и глубина составляли по 10 см. В 1957 - 1958 гг. на

* Часть стандартной модели (прим. авт.).

стр. 88

ней наблюдали процессы рождения л-мезонов в соударениях нуклонов. В дальнейшем здесь сконструировали семь подобных, последнюю - в 1967 г.; она работала вплоть до 1992 г. На ней выполнили измерения адронных взаимодействий при начальных импульсах частиц 4 - 8 ГэВ/с. В целом на жидководородных камерах провели эксперименты соударений протонов с протонами, рассеяния протонов, реакции мезонообразования, взаимодействия π-мезонов с протонами при импульсах π-мезонов до 7 ГэВ/с, в том числе детально исследовано образование резонансов.

Большую работу в институте провели по созданию камер со "сверхтяжелым" (ксеноновым) наполнением. Первая размером 20x11x10 см³ появилась в 1958 г., на которой изучали образование странных частиц в соударениях π-мезонов с ядрами Хе. Затем эксперименты продолжили на пяти подобных. Последнюю из них размером 150x70x70 см³ (1983 г.) назвали "Дианой"; на ней исследовали процессы аннигиляции антипротонов в ксеноне. В 1989 г. в ИТЭФ построили пузырьковую камеру на гелии размером 80x41x87 см³ .

В Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) с момента его основания (1956 г.) развернули интенсивную программу по созданию камер на пропане. В 1964 г. уже четыре таких прибора использовали в экспериментах как на Дубненском синхрофазотроне, так и на других ускорителях. Сконструировали и 30-литровую камеру на ксеноне, долгое время работавшую в пучках π-мезонов с импульсами 2,32 - 5 ГэВ/с.

В 1960-х годах здесь построили четыре камеры с водородным наполнением. Самой большой из них была "Людмила" размером 200x60x52 см³ , магнитное поле 2,6 Т. Она работала на пучке ускорителя в Протвино (Московская область); на ней сделали 700 тыс. снимков взаимодействий протонов и антипротонов с импульсом 22,4 ГэВ/с.

Следовательно, и в России с 1950-х годов шло интенсивное строительство пузырьковых камер разного типа. Как и во всем мире, первые имели небольшие размеры, короткие сроки эксплуатации и конкретные задачи исследования. В этот период отечественные ученые нашли много соответствующих конструктивных технических решений, которые затем были использованы научным сообществом на этапе появления "гигантских" пузырьковых камер. Потребность в них определяли в основном эксперименты с нейтрино.

Успешные опыты с последними провели уже в начале 1960-х в ЦЕРНе. Возможность визуально наблюдать события, вызванные этими невидимыми частицами, имела ог-

стр. 89

ромное значение. Но для эффективной работы с нейтрино, имеющими очень малую вероятность взаимодействия с веществом, требовались камеры с большим видимым объемом для фотографирования. К ним-то и перешли сотрудники институтов Америки, Европы и бывшего СССР.

Кроме открытия нейтральных токов, на гигантских пузырьковых камерах впервые получили много другой информации о взаимодействиях нейтрино. Например, наблюдали события совместного рождения мюона и электрона, указывавшие на образование чарма (четвертого кварка) как нового квантового числа. Существенный результат дало измерение отношения количества u и d-кварков в нуклоне. Полученные данные подтвердили справедливость единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий, включенную в стандартную модель. В дальнейшем выяснилось, что скорость набора событий с чармом на камерах недостаточна для их исследования. Программы работ с нейтрино закончились только тогда, когда анализ событий свелся к поправкам на неправильную идентификацию частиц.

Итоги программы пузырьковых камер были подведены на международной конференции с участием российских физиков в ЦЕРНе в июле 1993 г., материалы которой опубликованы в Nuclear Physics в июле 1994 г.

Для бывших республик Советского Союза эта программа стала основополагающей для развития лабораторий физики высоких энергий, опиравшихся в основном на ОИЯИ. Самой плодотворной и успешной стало сотрудничество 2-метровой пропановой пузырьковой камеры ОИЯИ, конструктором которой был М. И. Соловьев (1923 - 1994). С Дубной сотрудничали страны Восточной Европы, а также Югославия, Монголия, Китай, Вьетнам, Индия, Северная Корея.

Во многих программах пузырьковых камер начиная с 1960-х годов участвовали и сотрудники НИИЯФа. В 1980-х годах в институте создали крупный измерительно-вычислительный центр по обработке снимков. Работы на его базе в 1990 г. были удостоены Ломоносовской премии МГУ им. М. В. Ломоносова и послужили основой для последующего участия физиков в современных коллайдерных экспериментах в научном центре ДЕЗИ (Германия), Фермиевской лаборатории (США), на Большом адронном коллайдере LHC (ЦЕРН)*.

Иллюстрации предоставлены автором

* См.: Г. Б. Христиансен и др. Физика высоких энергий. - Наука в России, 1995, N 6; Л. Н. Смирнова. Шаг в двадцать первый век. - Наука в России, 1996, N 1 (прим. ред.).

Permanent link to this publication: