Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

електрона — достатньо для пояснення будь-яких змін звичайної матерії, адже з них складається більшість природних елементів. Різниця між атомами залежить від різної кількості протонів у ядрах. Кількість електронів відповідає кількості протонів задля підтримки загальної нейтральності матерії. Цілісність ядер і природна радіоактивність пояснюються більш або менш великою кількістю нейтронів поруч із протонами. Тож усе пояснити доволі просто. Одначе цю відносну простоту захмарювала невідповідність, тож довелося для з’ясування стосунків між головними дійовими особами залучити й статистів.

Β-радіоактивність — спонтанне випромінювання одного електрона — була великою проблемою. На відміну від α- та γ-радіоактивностей, вона не зберігала енергії. А золоте правило фізики — під час будь-якого процесу утворюється енергія, навіть якщо набирає при цьому незвичних форм, обертаючись почергово то в кінетичну, то в потенційну, то в теплову, то в хімічну, то — як побачимо згодом — ядерну енергію. Енергія, присутня певної миті, наступної миті обов’язково повинна виявитися, коли ретельно враховано всі можливі форми.

У разі β-дезінтеграції одного з елементів, скажімо, вуглецю-14, що використовується для датування доісторичних залишків, енергія електрона могла бути різною, і дилема тяжіла роками, аж поки Вольфґанґ Паулі у грудні 1930 р. у своєму знаменитому листі не натякнув на існування нової частинки, що випромінюється одночасно з електроном, але не дає виявити себе. За цією гіпотезою варто помислити про специфічні властивості, які роблять цю частинку майже невидимою. На думку вченого це — лише одне з багатьох розв’язань, «найбільш відчайдушне». Проте ця a priori скромна думка настільки добре все пояснювала, що її миттю прийняли. У 1933 р. Енріко Фермі розробив теорію поведінки нової частинки. Саме він вигадав назву «нейтрино» — себто «маленького нейтрона». У листі ж Паулі гіпотетична частинка ще мала назву «нейтрона», хоча відомий нам нейтрон іще не було відкрито.

Разом із нейтрино треба було розробляти ідею нової сили — «слабкої сили», яка пояснювала би слабку ймовірність взаємодії нової частинки. Кількість сил, які діють у природі, досягла свого максимуму — чотирьох: гравітація, що панує в механіці великих предметів, але незначна у субатомному світі, де переважають три сили: «сильна», електромагнітна і «слабка». Нині намагаються не відкрити нові сили, а, навпаки, зменшити їхню кількість. Так, електромагнітну та «слабку» сили об’єднали в електрослабку силу, а згодом сподіваються вкинути до загального місива і «сильну».

Нейтрино — аж ніяк не повністю невидима частинка, інакше в нас не було би прямих доказів його існування. Повністю невидима частинка не мала би контактів із матерією, а нейтрино таки має легку взаємодію. Проте безпосередньо виявити його поталанило лише 1956 р. на реакторі в Саванна-Рівер, через понад чверть століття після теоретичного передбачення нейтрино. Це доводить складність і непередбачуваність виявлення нейтрино. Відкривачеві — Фредерікові Рейнзу своєї Нобелівської премії 1995 р. доведеться чекати аж сорок років.

Детектор ґрунтувався на техніці коливання. На той час це був велетенський прилад об’ємом не менше 8 м3. Він містив велику кількість рідини, що коливалась; вона складалася з власних молекул і домішок. Цей тип детектора впродовж усієї історії дослідження нейтрино неодноразово копіюватимуть. І досі будуються прилади, основані на тому ж методі.

Коли нейтрино з реактора вступає у зв’язок із протоном, утворюються позитрон і нейтрон. Позитрон іонізує рідину, в якій утворився, а енергія, що виділяється при цьому, обертається на світло. Мерехтливе світло — того ж походження, що й флюоресценція катодних рурок: намагнічені атоми розмагнічуються і світяться. Можливість взаємодії між нейтрино — дуже слабка: щоби збільшити шанси на піймання нейтрино, потрібна масивна ціль. Газ не годиться. Мерехтлива рідина — дуже практична альтернатива: великий об’єм за невисоку ціну. Рідина — прозора, тож світло розповсюджується до найвіддаленіших закутків ємності. А там розміщено фотоелектронні рурки-помножники, які вловлюють світловий сигнал.

Фотоелектронні рурки-помножники — головний елемент експериментальних приладів. Він складається з фотокатода, що містить шар лужного металу, де зіткнення фотонів призводить до фотоелектричного ефекту. Таким чином фотони відривають від металу електрони, а їх затягує до рурок високою напругою на різноманітних динодах, розташованих кількома поверхами. Кожен динод, отримуючи один електрон, випускає кілька, а помноження дозволяє на виході з рурки зафіксувати електричний імпульс, достатньо широкий для вловлення електромережею. Цей імпульс — дуже швидкий. Фотоелектронні рурки-помножники дозволяють отримувати інформацію про проходження частинки приблизно за одну наносекунду.

На сцену виходять кварки

До того, як у дію вступлять прискорювачі, резюмуємо те, про що дізналися вище. Матерія складається з атомів, чиє ядро об’єднує протони і нейтрони, навколо яких обертаються електрони. Крім того, для розуміння зв’язку між нуклонами і електронами не обійтися без дивної частинки — нейтрино. У променях, що доходять до нас із неба, виявлено присутність нових частинок, сенс існування яких ще не зрозумілий: з одного боку — антиелектрона та мюона, з іншого — ще химерніших частинок. Залишається об’єднати всі ці знання.

Космічні промені створювали умови для дослідів з енергіями, набагато потужнішими за радіоактивність. Але сподіватися на них марно, бо контролювати їх неможливо. Умови, що виникають, сприяють виявленню кількох нових видів частинок, проте їх недостатньо для систематичного вивчення їхніх властивостей. Щоби піти далі, слід вигадати новий метод.

Величезна перевага прискорювачів — у тому, що вони в достатній кількості утворюють потужні потоки частинок, на природі яких ми знаємося та енергію яких можемо змінювати за потреби. Так, завдяки дослідам, умови проведення яких легко змінювати, можна влаштовувати цілі кампанії зі зміряння.

Визначмося з одиницями вимірювання енергії. У класичній механіці енергію вимірюють у джоулях (Дж). Це — енергія, яка виробляється на 1 кілограм, що падає з висоти 10 см у земному гравітаційному полі. В електриці 1 Дж — це енергія, яку отримуємо за заряду в 1 кулон (Кл), що перетинає різницю напруги в 1 вольт (В).

Один джоуль — завелика енергія для опису елементарних частинок. Однак нещодавно виявили надзвичайно рідкісні космічні промені, енергія яких перевищує 10 Дж, і нині дослідним способом вивчаються їхні властивості.

Представники субатомної фізики запропонували іншу, зручнішу одиницю — електронвольт (еВ). Як указує назва, 1 еВ — це енергія, якої набуває електрон, прискорений різницею напруги 1 В.

Якщо елементарний заряд електрона досягає 1,6х10-19 Кл, то виникає відповідне рівняння 1 еВ = 1,6х10-19 Дж. Отже, електронвольт (еВ) позначає мінімальну кількість енергії; це енергія, яку несуть видимі фотони, що доходять до нас із Сонця та збуджують сітківку ока. Якщо точніше, то видиме світло заповнює енергетичний проміжок від 1,3 еВ (червоне) до 3 еВ (синє).

Теорія відносності уславленою формулою Айнштайна Е = mc2 пов’язує масу та енергію однієї частинки. Тоді використовують похідні від електровольта: кеВ (кіло), МеВ (мега), ГеВ (гіга), ТеВ (тера)… Промені, відкриті Рентгеном, переносять енергію порядку кілоелектровольт — до