Юрий Чирков - Охота за кварками
Ускоритель частиц — на вашем столе!
В одной из своих последних лекций итальянский физик Э. Ферми говорил об ускорителе протонов на энергию 104 ТэВ. Увы, говорил он это полушутя: кольцевой магнит такого ускорителя должен был бы опоясывать земной шар по экватору!
На таком грандиозном фоне мечты об ускорителе, разгоняющем частицы до больших энергий и разместившемся где-нибудь в подвале дома, покажутся неуместной шуткой. И все же такие малогабаритные ускорители вполне возможны. В это верят и ученики академика Г. Будкера, работающие в новосибирском академгородке, и исследователи из подмосковного города физиков Дубны (группа В. Саранцева). Хотят этого и физики Абхазии, работающие по проблеме «Коллективное ускорение ионов в электронных пучках».
Небольшая, забитая приборами комната — лаборатория физики плазмы и газового разряда Абхазского государственного университета. Возглавляет лабораторию кандидат физико-математических наук доцент Г. Джобава.
— Вот здесь и разместится наш ускоритель, — говорил он автору этой книги, указывая на стенд размером с обычный письменный стол. — Мы перенесли его из другого здания и сейчас монтируем. Он будет ускорять ионы до энергий в миллионы электрон-вольт.
«Как, — помню, удивился я, — ускоритель, уместившийся в маленькой комнатушке? Так сказать, «домашний» ускоритель?..»
В конце 50-х годов академик В. Векслер высказал оригинальную идею. Суть ее была в том, чтобы поле, ускоряющее частицы, создавалось не внешними источниками (здесь возможности уже практически исчерпаны), а возникало в результате взаимодействия группы ускоряемых частиц с другой группой зарядов (отсюда и термин «коллективное ускорение»).
Ускоряющей группой может быть и струя электронов, и поток плазмы, и электромагнитная радиация. Это и есть, так сказать, «внутренние резервы» ускорения.
Скажем, в плотной плазме напряженность электрического поля может достигать 108 вольт на сантиметр.
И значит, для ускорения частиц потребуются уже не километровые «дистанции», а… метровые! И этот бурный «спринт» даст вполне ощутимые результаты.
Но как этого добиться? Как практически реализовать столь заманчивые предложения? Физики перепробовали много способов. Расскажем лишь об одном, на наш взгляд, очень изящном.
…Лет двадцать назад в Сухумском физико-техническом институте группа исследователей под руководством доктора физико-математических наук А. Плютто пыталась получить из плазменного источника сильноточные электронные пучки.
Ученые имели свои «интерес», об ускорителях они тогда не помышляли. Однако по ходу экспериментов обнаружилось: при определенных условиях наблюдаются ионы плазмы с энергиями, существенно превосходящими приложенную разность потенциалов. Так, к источнику подавались напряжения порядка сотен киловольт, а ионы имели энергии в несколько миллионов электрон-вольт!
Вот этот «незапланированный» успех своих земляков — сухумских физиков и пытаются развивать физики Абхазского университета (работа ведется совместно с Московским институтом теоретической и экспериментальной физики).
Мощный поток электронов, извергаемый электронной «пушкой» — эмиттером, направляется на сгусток плазмы положительно заряженных ионов, которые и надо ускорить. Легкие и поэтому подвижные электроны, «забежав» вперед ионов, начинают подтягивать к себе (своего рода «гонка за лидером»). И сила эта будет действовать, пока скорости электронов и ионов не сравняются.
Но масса, скажем, протона в тысячи раз больше массы электрона. Значит, во столько же раз будет больше и его (протона) кинетическая энергия! Так слабые энергии пучка электронов оборачиваются огромными энергиями ускоренных ионов.
В этом суть наиболее простого из новых методов коллективного ускорения ионов — прямоточного. Есть и другие: например, ускорение электронными кольцами, эти работы наиболее энергично ведутся в Дубне.
Да, слова «домашний ускоритель» не столь уж и неправомерны. Энергии электронного пучка в кинескопе обыкновенного телевизора (20 киловольт) пли в рентгеновской трубке вполне достаточно для мощного разгона ионов. И подобный ускоритель свободно разместится на рабочем столе исследователя!
А такие малютки очень нужны. Можно было бы, к примеру, моделировать солнечный ветер, исследовать поведение радиоэлектроники в условиях космического полета. «Прикладники» смогли бы (без необходимости получать допуск к большим ускорителям) у себя на месте, почти в «домашних условиях», осуществлять, скажем, ионное легирование напыленных пленок, проверять надежность аппаратуры, собранной на микросхемах.
Мини-ускорители не фантазия, порукой тому — работы, которые ведут физики Абхазии.
Деликатесы и хлеб насущный
Телевизоры и транзисторы — вещи обыденные для каждого из нас. А все потому, что примерно 90 лет назад ученые открыли электрон. Атомная энергетика, а завтра — термоядерный синтез? И это результат открытых физиками деления и слияния ядер. Но еще более волнующие открытия сулит нам изучение мира элементарных частиц. Тут техника, возможно, поднимется до таких вершин, о которых нам и не мечталось.
Это один взгляд на будущее микрофизики, взгляд, исполненный оптимизма. Однако есть и противоположное мнение. Часть ученых считает, что роль микрофизики изменилась, что она утрачивает свою позицию лидера, что ее скоро потеснят более бойкие, а главное, более полезные человеку науки.
В последние годы подобные вопросы неоднократно ставил и обсуждал академик В. Гинзбург. Его книга, например, «О физике и астрофизике?» (1974) имеет характерный подзаголовок: «Какие проблемы представляются сейчас особенно важными и интересными?»
Он считает, что место микрофизики во всем естествознании и в жизни общества радикально изменилось: мода на нее прошла, самый блестящий в общечеловеческом плане этап в развитии микрофизики уже позади.
(Справедливости ради следует отметить, что в новых высказываниях — а ученый довольно часто итожит развитие науки и делает прогнозы — эта негативная позиция несколько смягчена.)
Вот что писал академик: «Если позволено будет выразить сказанное в ненаучных терминах, я сказал бы, что микрофизика в первой половине нашего века была первой дамой естествознания. Сегодня и завтра она остается, и останется «только» самой красивой дамой. Но в том-то и дело, что разные люди могут считать разных дам самыми красивыми, первая же дама (в отличие от первых заместителей), по определению, только одна (например, так называют жену президента). Позволю себе добавить, что для меня самого микрофизика была и остается самой красивой физической дамой. Но в отличие от некоторых коллег я лишь считаю, что поклонение не должно сопровождаться игнорированием изменений возраста и характера, а также пренебрежением к другим объектам, достойным восхищения».
Эти шутливые слова прикрывают вполне весомые доводы. Действительно, в первой половине XX века в центре внимания микрофизики находились атомы, электроны, фотоны, атомные ядра. Все вещества состоят из атомов, пишет В. Гинзбург, свет Солнца дарит Земле жизнь.
Так стоит ли удивляться, что физики, фактически подчинившие эти атомно-фотонно-электронно-ядерные стихии, стали центральной фигурой в науке, и не только в ней!
Но времена меняются. Овладев атомами и их ядрами, этим хлебом насущным, микрофизики углубились затем в объекты совершенно экзотические, стали «выращивать» редкие, нежные растения, или, по-иному, стали лакомиться редчайшими деликатесами.
В самом деле, ну какое значение для промышленности, сельского хозяйства, для жизни отдельных стран и всего человечества могут иметь микрочастицы, живущие ничтожные доли секунды, все эти мезоны, частицы-резонансы? Могут ли принести пользу технике неудержимые нейтрино? И есть ли какой-то прок от ароматных цветных кварков, прячущихся, словно улитка в своей раковине, и не желающих ни за какие коврижки оттуда вылезать?
«То исключительное место, — продолжал академик, — которое микрофизика занимала в недавнем прошлом, в значительной мере перешло к биологии и, конкретно, к биофизике и молекулярной биологии, обещающим создать жизнь «в пробирке», радикально удлинить человеческую жизнь, побороть страшные заболевания (рак и другие), мобилизовать огромные ресурсы человеческого мозга. Микрофизика же сегодняшнего дня заняла место, аналогичное астрофизике с ее увлекательными открытиями и загадками, с ее пульсарами, квазарами, «черными дырами», космологической сингулярностью…»
Это мнение В. Гинзбурга разделяют и другие ученые.
Ход их рассуждений таков. Атомная физика как наука завершена. Ядерная физика — здание, еще не достроенное, по то, что она может дать практике, уже вполне определилось. С 40-х годов микрофизика стала изучать прихотливый мир элементарных частиц. Получаются они искусственным путем на ускорителях и в космических лучах. И тут человек как бы творит и хочет познать совершенно искусственный ирреальный мир, имеющий с миром реальным ничтожную связь. Потому и трудно ждать каких-то практических выгод от подобных исследований. (Так и рождается версия о том, что работающие в этой области физики похожи… на коллекционеров марок. Или другая сентенция: что, строя дорогостоящие ускорители, ученые удовлетворяют свое любопытство за, так сказать, государственный счет.)
