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

Такий дослід невдовзі відбувся. Достатньо було натягнути тонкі позитивно заряджені струни, аби притягнулись електрони і утворилися лавини біля одного з позитивних електродів; це дозволило спостерегти, що відбувається, якщо підвищити тиск, помістивши всю конструкцію до газу, який використовують у пропорційних лічильниках.

Дослід здійснила низка відомих команд науковців. Та коли його повторювали спрощено, ставили натягнуті струни перед одним-єдиним пласким електродом, результат був катастрофічним. На самому початку ампліфікації з’являлась іскра і знищувала сам ампліфікатор, який коштував тисячу доларів. Коли нарешті на арену зважився вийти я, то мав досвід із власноруч збудованими для дисертації лічильниками. Я попросив наших техніків сконструювати камеру з двадцятьма струнами на відстані два міліметри одна від одної, всіляко намагаючись уникнути розрядів, особливо в місцях, де струни з’єднувалися з рамкою.

Пропорційна камера

Наша перша камера складалася з ряду струн товщиною у двадцять мікронів, натягнутих між двома пласкими електродами. Працювала вона бездоганно. Кожна зі струн камери могла самостійно визначати імпульси, що утворювалися під час проходження сусідньої іонізованої частинки. Отже, ми могли натягнути сотні тисяч струн і виявити таким чином траєкторії заряджених частинок. Ми ретельно дослідили шляхи утворення імпульсів, їхнє походження та неймовірну гнучкість газових детекторів зі складною структурою, що дозволяла електронам — навіть ізольованим — повідомити стимульованим імпульсом про свою присутність.

Тоді наша невеличка група, що вдосконалювала іскрові камери, взялася до створення пропорційних камер великих розмірів для фізики високих енергій. Але ми миттю вичерпали, здавалося б, неозоре поле наукової діяльності, яке відкрилося перед нами.

Під час бомбування іонізованими частинками з мінімумом іонізації, що призводило до утворення лавини, кожна струна демонструвала чудові негативні імпульси. Коли одна лавина електронів утворювалась у кількох мікронах від струни діаметром у двадцять мікронів, імпульси, звісна річ, були негативні. Та до лавини призводило не лише притягування до струни лектронів. Вони притягувалися за одну мільярдну частку секунди, а наші прилади не могли вловлювати настільки швидкі імпульси. Позитивні ж іони лавини, навпаки, потрапивши до інтенсивного поля навколо струни, відштовхувалися на достатньо велику відстань, тож існуючим на той час детекторам було нескладно зафіксувати стимульовані сигнали; складалося враження, ніби імпульс спричинено притягуванням електронів.

Позитивні іони, віддаляючись від струни, водночас утворювали низку позитивних імпульсів у сусідніх електродах — зокрема на струнах, розташованих поруч зі струною, на якій утворювалася лавина; ці струни показували позитивні імпульси. Це було справжнє диво, адже спалахи імпульсів тепер були чітко видні. Хоч би якою була відстань між струнами, можна було швидко визначити, на якій з них утворилася лавина.

Тоді ми ретельно дослідили всі механізми, що спричиняють електричні імпульси на тонких струнах, на яких збираються лавини електронів, у різних структурах.

Це одразу дало нам перевагу над науковцями, які також пішли правильним шляхом, скориставшись пропорційними лічильниками з надтонкою струною. Інші використовували звичайну рамку зі струнами. Коли досягали напруги, необхідної для утворення лавини, виникала іскра. Найобережніші розміщували тонкі струни між товстішими, бо, мов чуми, боялися закороток між ними, які вплинули б на точність приладу. Перевага ж нашої розробки полягала в невеличкій відстані між чутливими струнами. Конкуренти не зауважили, що електричні сигнали на сусідніх струнах були справжнім подарунком, адже ті сигнали були позитивні. Достатньо було лише натягнути чутливі струни з проміжком в 1 мм.

Результати, отримані нами з камерою розмірами 10х10 см², вразили всю команду ЦЕРНу; деякі групи дослідників одразу заявили, що наша камера годиться хіба для невеличких площин, підведених під сильне опромінення. Її швидкість у тисячу разів перевищувала швидкість іскрових камер з феритовими декодерами, які тоді використовували для великих експериментів на площинах не менших за гектар.

По трьох роках ми позбулись і бульбашкових, і пропорційних камер. Групи вчених зводили величезні пропорційні камери, навчившись натягати надтонкі струни, сплетені з товстими струнами, і отримувати в такий спосіб необхідну напругу між ними. Ці камери — так само, як і бульбашкові — дозволяли отримати зображення складних процесів.

Моя група спробувала розширити поле застосування рамки з надтонкими струнами між двома електродами, продовжуючи співпрацювати з тими, хто волів зводити велетенські детектори для дослідів у фізиці високих енергій.

Ми з’ясували, що за допомоги решіток — звичайних рамок, розставлених між електродами — можна примусити електрони «дрейфувати» та використовувати імпульси, утворені електронами, що «дрейфують» від решітки до решітки. Ми з легкістю вимірювали час дрейфу електрона і одержували відстань, яку він проходив, перш ніж досягнути ділянки посилення. Це дозволило будувати електронно-дрейфові камери, де електрони, перш ніж бути поміченими однією зі струн, мусили подолати десятки сантиметрів. Детектори площею з гектар могли впоратися з великою кількістю електронів, якщо їх було менше, ніж у місцях взаємодії — це дозволяло залишати між детекторами достатні проміжки та економити залежно від вартості контурів. Спершу ми проводили дослідження з інноваційними структурами — треба було змусити дрейфувати велику кількість електронів і визначити їх на рамці; в такий спосіб, визначаючи час дрейфу електронів і місця взаємодій, ми отримували тривимірні детектори.

Коли 1949 р. я прийшов до лабораторії Жоліо-Кюрі, то був зачарований детекторами, що дозволяли побачити взаємодію частинок.

Достатньо було поглянути на слід, утворений електроном з високою енергією в камері Вілсона, де сліди стають видимими завдяки конденсації краплинок навколо області підвищеної енергії, звільненої проходженням зарядженої частинки. Це ж неймовірно — на власні очі спостерігати взаємодію, яка несе нам стільки цінної інформації! Нині відомо, що часто утворюється чимало різноманітних частинок. Нині, завдяки розвиткові електроніки, можна одразу розшифрувати скупчення тисяч суміщених частинок та ідентифікувати майже кожну. Знадобилися десятки років і нових винаходів, аби прискорювачі помалу навчилися утворювати пучки, багаті на різноманітні частинки.

Часом нові детектори народжувалися випадково, іноді завдячуючи своєю з’явою уяві фізиків, якими рухали нові проблеми, пов’язані з роботою прискорювачів. Хтозна, може, без бульбашок, які виникають, якщо рвучко відкоркувати пляшку з пивом, і які вразили Дональда Ґлейзера30, не було б винайдено бульбашкових детекторів.

На еволюційній схемі, що показує п’ятдесят років розвитку, бачимо детектори, які дозволили розшифрувати складні структури. Але фізика частинок цим не обмежилася. Проблеми, які виникали у фізиків, підштовхували до творення нових приладів. Саме виникнення фізики частинок стало можливим завдяки винаходові нових типів детекторів — події майже випадковій.

Те саме було з камерою Вілсона. Своїм виникненням вона завдячує одному шотландцеві, що захоплювався туманом — явищем, звичним для його краю. За п’ятнадцять років досліджень йому поталанило зробити неймовірне відкриття: у деяких туманах, викликаних раптовою зміною рівня тиску, виникають температурні умови, за яких газ перенасичується; накопичення енергії, викликані проходженням зарядженої частинки, спричиняються до появи слідів,