Файл: Жданов Г.Б. Множественная генерация частиц.pdf

йороден и сложен. Правда, существуют хорошо проверен­ ные рецепты выделения взаимодействий падающих частиц с отдельными, почти свободными нуклонами ядер, но это «почти» может иногда заметно исказить и «размазать» картину явления.

Есть у фотоэмульсии и достоинства. Малый размер зерен бромистого серебра, образующих следы частиц (при­ мерно 0,1—0,2 микрона), позволяет разглядеть мельчайшие детали событий, получить высокое пространственное раз­ решение. В фотоэмульсии можно даже подметить распад нейтрального я0-мезона — частицы, живущей меньше, чем ІО-16 секунды! Особенно ценным это качество фотоэмуль­ сий оказывается, когда в игру вступают частицы с гигант­ ской энергией — ІО13электрон-вольт и выше. Сталкиваясь с неподвижными ядрами, эти частицы создают очень узкие пучки вторичных частиц с углами расхождения, измеряе­ мыми минутами.

Для изучения процессов множественного рождения элементарных частиц серьезнейшим конкурентом фото­ эмульсий явились пузырьковые камеры, изобретенные Д. Глезером (США) в 1952 г. Принцип их действия состоит в том, что ионизация вещества заряженными частицами благоприятствует конденсации пузырьков пара вперегретых жидкостях. Доведение жидкости до перегретого рабочего состояния производится путем сброса давления специаль­ ным поршнем, после чего начинают образовываться и расти пузырьки вдоль следов частиц. Когда размеры пузырьков достигают примерно 50 микрон, их можно сфотографи­ ровать при достаточно сильном освещении (разумеется, в прозрачных жидкостях).

Удобными рабочими веществами пузырьковых камер оказались немногие жидкости, среди них — жидкий водо­ род, ядра которого — элементарные частицы протоны. Используется также жидкий тяжелый водород — дейте­ рий, в ядрах которого помимо протона по одному нейтро­ ну. В тех случаях, когда надо изучать я°-мезоны, можно использовать их свойство практически мгновенно распа­ даться на фотоны с последующим превращением (конвер­ сией) фотонов в пары заряженных частиц — электронов и позитронов. Для обеспечения эффективной конверсии фотонов подходят тяжелые жидкости, в частности, жидкий неон или холодильные смеси — фреоны. Если же нужно изучить процесс образования я°-мезонов (наряду с заря-

23

1

Рис. 8. Большая Европейская пузырьковая камера с полезным объемом жидкого

В — мотор механизма расширения, 6 — широкоугольная линза (по типу рыбь­ его глаза), 7 — фотоаппарат, s — сверхпроводящие обматки ,9 — жидкий азот, 10 — жидкий гелий. Справа внизу — масштаб б) Установка корпуса камеры в вакуумный бак (см. стр • 25)

24

б

женными пионами) на протонах, то на пути пучка частиц, идущих от ускорителя, ставят внутренний цилиндрический сосуд с жидким водородом, а во внешний сосуд заливают смесь из водорода и неона. При тщательном конструктив­ ном исполнении на фотоснимках почти невозможно раз­ личить границу двух камер.

Современные пузырьковые камеры делаются очень больших размеров, и в них можно залить многие кубо­ метры жидкого водорода или тяжелой жидкости (рис. 8). Эти камеры помещаются между полюсами огромных элек­ тромагнитов; недавно стали делать магниты со сверхпрово­ дящими обмотками. По искривлению траекторий частиц в магнитном поле, достигающем 10—20 тысяч гаусс и даже

25

более, можно измерить их импульсы с хорошими точностя­ ми (до 1—2%).

Эти эксперименты дорого стоят. Многомиллионные за­ траты на аппаратуру увеличиваются еще и тем, что стерео­ фотоснимки пузырьковых камер приходится обрабаты­ вать на сложных автоматах, работающих в сочетании с мощными электронными вычислительными машинами, чтобы обеспечить высокую цроизводительность необходи­ мых измерений. Много усилий требуется и для составления программ обработки измеренных данных. Зато ЭВМ выдает почти готовый физический результат, вплоть до оценки правдоподобия различных предположений о характере наблюдаемого процесса, количества родившихся невиди­ мых (нейтральных) частиц и т. д.

Производительность современных пузырьковых камер исчисляется многими тысячами фотоснимков (появилась даже специальная единица измерений числа снимков — «килокартинка»). А в 1972 г. в ЦЕРНе был отмечен особый рекорд — 20 миллионов снимков 2-метровой водо­ родной камеры (правда, лишь сравнительно небольшая часть снимков, не более 10%, представляла интерес для физиков и была пущена в обработку).

При всех своих бесспорных достоинствах пузырьковые

жаться в нейтральной жидкости в свободном виде меньше, чем 10-10 секунды. За это время совершенно невозможно осуществить механическим путем сброс давления, требуе­ мый для образования пузырьков газовой фазы вещества. Поэтому сигнал на срабатывание поршня приходится да­ вать заблаговременно, синхронизируя его во времени с им­ пульсным режимом работы ускорителя.

Помимо чисто практических неудобств (сложность устройства, дороговизна, большие размеры, взрывоопас­ ность) пузырьковые камеры страдают и одним принципи­ альным недостатком. Эти приборы недостаточно «опера­ тивны»— им требуется несколько (до 10) миллисекунд для сброса давления и роста газовых пузырьков на следах частиц и еще десятки (а то и сотни) миллисекунд на возвра­ щение в исходное состояние.

Для изучения процессов, происходящих в космических лучах, пузырьковая камера не используется из-за невоз-

26

Рис. 9. Снимок множественного рождения частиц в камере Вильсона с магнит­ ным полем (Тянь-Шанск ія станция ФИАН). В мишени из ЫН над камерой образовалось около 20 заряженных пионов. Первичная энергия (измеренная ионизационным калориметром) Е = 820 'Тэв

можности опережающего управления. На выручку при­ ходит здесь старый друг физиков —«облачная» камера (буквальный перевод английского термина cloud chamber), изобретенная Ч. Вильсоном еще в 1912 г. и получившая у нас название камеры Вильсона. Как и в пузырьковой камере, здесь тоже есть поршень, в нужный момент сбра­ сывающий давление, но этот сброс вызывает противопо­ ложный эффект — конденсацию молекул жидкости из газа, окружающего цепочку ионов на следе частицы. Поскольку в газовой среде ионы гораздо более долговечны, чем в жидкой, «память» у камеры Вильсона в миллионы раз лучше. Ее. можно запускать «задним числом», после прохождения нужных частиц сквозь камеру. Все пробле­ мы, связанные с созданием магнитного поля, освещением следов частиц, их фотографированием, обработкой фото­ графий и обсчетом измерительных данных, в принципе остаются теми же. Однако даже при больших площадях установок интересные для физика явления наблюдаются редко — в лучшем случае по нескольку раз в сутки.

27

На рис. 9 воспроизведен снимок одного из таких явле­ ний — образование 20 заряженных ионов в мишени, над камерой Вильсона. Из-за высокой энергии первичной частицы пучок вторичных частиц получается узким. Это затрудняет разделение частиц и точное измерение углов. На снимке видно немало следов «посторонних» частиц небольшой энергии.

Неудобство работы с камерой Вильсона заключается в малой плотности газа по сравнению с жидкостью: из-за этого в качестве ядерных мишеней для эффективного «обстрела» частицами высокой энергии приходится спе­ циально вводить внутрь камеры (или ставить непосредст­ венно над ней) пластины из твердого вещества. Что проис­ ходит внутри пластин, не видно; к тому же с твердым водо­ родом работать практически нельзя (камера Вильсона боится перепада температур), поэтому остается использо­ вать сложные вещества, типа, скажем, гидрида лития (ЬШ). Таким образом, условия постановки опытов с ка­ мерой Вильсона для космических лучей не столь чисты, как с пузырьковой камерой на ускорителях.

Вработу включаются видимые

иневидимые искры

В1957 г. был впервые сконструирован прибор нового типа — искровая камера, в которой ионные следы (треки) частиц становятся видимыми за счет развития электриче­ ского лавинообразного разряда в газовом промежутке между двумя проводящими пластинами — электродами (рис. 10, а). Управление искровой камерой осуществляет­ ся с помощью двух или более установленных около нее счетчиков частиц. При прохождении заряженной частицы в нужном направлении электрические импульсы от счет­ чиков, пройдя через специальный блок совпадений, вклю­ чают подачу высокого напряжения на рабочие электроды. Электроны, оставшиеся после прохождения частицы, дви­ гаясь в сильном электрическом поле, дают начало искрово­ му разряду в том месте, где прошла исходная частица. Искровая камера сама по себе очень проста, основная забота — изготовление или приобретение источника вы­ сокого напряжения (на десятки, а иногда и на сотни киловольт, при широких межэлектродных промежутках)

28

«Омега» (ЦЕРН) с последующей телевизионной передачей и автоматической обработкой всех данных на ЭВМ

Последнее важно при работе на ускорителях, ибо позволя­ ет отделаться от нежелательного фона посторонних частиц.

Выигрыш в темпах работы сопровождается, к сожале­ нию, проигрышем в пространственной точности определе-

29