ЭКСПЕРИМЕНТ "АНТИГЕЛИЙ"
Ю. ПУХНАЧЕВ, И М. ЯКОВИЧ
Ю. ПУХНАЧЕВ, М. ЯКОВИЧ, наши спец. корр.
«Сообщается о наблюдении ядер антигелия-3 в пучке отрицательных частиц, образованных протонами с энергией 70 Гэв на алюминиевой мишени. Среди 2,4 10^11 частиц, прошедших через установку, идентифицировано 5 антиядер по электрическому заряду и скорости при помощи сцинтилляционных, и черенковских счетчиков.»
Перед сообщением - фамилии авторов открытия. Длинный - по обыкновению современной экспериментальной физики - список Ю. М. Антипов, Н. К. Вишневский, Ю. П. Горин, С. П. Денисов, С. В. Донсков, Ф. А. Еч, Г. Д. Жильченкова, А. М. Зайцев, В. А. Качанов, В. М. Кутьин, Л. Г. Ландсберг, В. Г. Лапшин, А. А. Лебедев, А. Г. Морозов, А. И. Петрухин, Ю. Д. Прокошкин, Е. А. Разуваев, В. И. Рыкалин, В. И. Соляник, Д. А. Стоянова, В. П. Хромов, Р. С. Шувалов.
Ниже - дата и место публикации март 1970 года, Серпухов. По этим данным мож, но судить о дате, и месте открытия. Работа длилась, конечно, не один месяц - месяцы заняла и подготовка к ней, и обработка результатов. Эксперимент был проведен на знаменитом, крупнейшем в мире Серпуховском ускорителе протонов группой сотрудников Института физики высоких энергий под руководством члена-корреспондента АН СССР Ю. Д. Прокошкина.
О научном городке Протвино, в котором живут сотрудники института, уже рассказывалось в предыдущем номере журнала. Он невелик. Всего десять - пятнадцать минут - так коротка здесь дорога из дома на работу, в институт, на ускоритель. Там в лабораториях, в экспериментальном зале, в атмосфере исследования мы беседовали с авторами открытия. А по дороге в разговоре всплывали воспоминания о том времени, когда поразительное по результатам открытие рождалось в ходе беспрецедентного по сложности эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Понятие «античастицы» возникло на рубеже двадцатых и тридцатых годов нашего столетия. Английский физик Поль Дирак попытался вывести такое уравнение движения электрона, которое, с одной стороны, базировалось бы на принципах квантовой механики - еще молодой в ту пору науки о движении элементарных частиц, а с другой стороны, согласовывалось бы с выводами теории относительности - уже признанного в те годы уточнения законов пространства, и времени.
Оказалось, что согласие двух великих теорий века наступало лишь в том случае, если наряду с существованием электрона предположить существование некой античастицы, во всем похожей на электрон, но отличающейся от него знаком заряда. Вскоре позитрон - так назвали гипотетическую частицу Дирака - был обнаружен в космических лучах (1932 г., К. Андерсон).
Открытие позитрона было триумфом и квантовой механики, и теории относительности. Значительно позднее выяснилось, что вывод о существовании позитрона является всего лишь частным случаем общего предсказания так называемой СРТ-теоремы.
Каждая буква в этом кодовом названии символизирует одно из утверждений теоремы всякой элементарной частице соответствует античастица (С); если в определенных условиях частица совершает некоторое движение, то ему соответствует движение античастицы, симметричное пространственно, как зеркальное отражение (Р), и по времени - в том смысле, что все стадии движения минуются в обратной последовательности (Т), как на киноэкране, если запустить пленку задом наперед.
Собравшись вместе в названии теоремы, буквы С, Р, и Т подчеркивают, что все три преобразования - замена частицы на античастицу, зеркальное отражение, обращение времени - должны происходить одновременно. Не следует думать, что для каждого движения частицы должно найтись симметричное относительно, какого-либо из трех - С, Р или Т - преобразований, взятого отдельно от остальных. В 1957 году было обнаружено, что наш мир несимметричен относительно зеркального отражения. Не каждому процессу из жизни микромира можно поставить в соответствие другой, идущий вспять.
Но тогда вполне законен, и вопрос, а каждой ли частице соответствует античастица, существуют ли, например, антипротоны, антинейтроны?
Надо сказать, что получить антипротон гораздо труднее, чем позитрон для этого потребна энергия примерно в шесть тысяч раз больше. Достоверная информация об антипротонах стала доступной только с созданием ускорителей.
...Разогнавшись в ускорителе, протон налетает на другой протон, покоящийся в ядре вещества, из которого сделана мишень; в столкновении кинетическая энергия бомбардирующего протона воплощается в пару протон-антипротон, или пару нейтрон-антинейтрон, или несколько нуклон-антинуклонных пар, - насколько хватит энергии. Таков традиционный «способ изготовления» античастиц.
Получение первых антипротонов (1955 г., О. Чемберлен, Э. Сегре, и др.) было столь же грандиозным событием, как, и наблюдение первых позитронов. И то, и другое открытие было отмечено Нобелевской премией. Вскоре к антипротону добавился антинейтрон. Тогда-то, пожалуй, рядом с задачей поиска все новых античастиц, и встала другая загадка, еще непосильная для экспериментальной техники тех лет.
Протоны, и нейтроны способны образовать связанные состояния - ядра. Могут ли существовать подобные системы античастиц - антиядра? Могут ли существовать атомы антиматерии, симметричные «обычным» атомам в том смысле, что на месте протонов, и нейтронов в их ядрах расположены антипротоны, и антинейтроны, а электронные оболочки заселены позитронами? Могут ли существовать тела из антивещества?
...В 1966 году в Брукхевене (США) на ускорителе, разгоняющем протоны до энергии в 30 Гэв, группе американских физиков под руководством профессора Леона Лидермана удалось обнаружить связанные состояния антипротонов, и антинейтронов, ядра антидейтерия. Они «симметричны» ядрам дейтерия - тяжелого изотопа водорода -, и вместе с антипротоном (аналогом ядра «обычного» водорода) открывают таблицу Менделеева для антивещества.
Попытки обнаружить более тяжелые ядра - состоящие уже не из двух, а из трех антинуклонов - к успеху не привели. Наблюдение их стало возможным лишь после того, как был запущен Серпуховский ускоритель, разгоняющий протоны до энергии 70 Гэв.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Тремя антинуклонами, способными образовать ядро антивещества, могут быть, например, два антинейтрона, и один антипротон (они составляют ядро антитрития; именно его, и пытались найти в Брукхевене вслед за антидейтроном) или же два антипротона, и один антинейтрон. Сложенное из них ядро соответствует легкому изотолу гелия. В таблице Менделеева для антивещества оно занимает вторую клетку. Масса антигелия-3 равна трем массам протона, заряд - двум зарядам электрона.
Поиск такого ядра, и стал темой эксперимента, проведенного в конце 1969 года на Серпуховском ускорителе.
Образование трех антинуклонов обходится примерно в 28 Гэв. У этой отметки на шкале энергий расположен порог рождения, и антитрития, и антигелия-3. Эта энергия столь высока потому, что вместе с тремя антинуклонами должны образоваться три «обычных» нуклона - антинуклон рождается только в паре с нуклоном. В этом проявляется один из важнейших законов природы, который обычно называют «законом сохранения барионного заряда». Он обеспечивает стабильность вещества, из которого состоит окружающий нас мир.
Правда, образование ядра антигелия-3 еще не обеспечивается одновременным появлением на свет двух антипротонов, и одного антинейтрона. В момент рождения они должны обладать малыми относительными скоростями, не разлетаться в разные стороны, чтобы наконец слипнуться в ядро. Гораздо более вероятны другие, конкурирующие процессы, в которых огромная энергия, потребная для создания ядра антивещества, растрачивается на образование множества более легких частиц. Поэтому в соударениях протонов антипротон рождается в десятки тысяч раз реже, чем пи-мезоны, антидейтроны - в десятки тысяч раз реже, чем антипротоны. Если продолжить этот ряд, то станет ясно, что на каждое ядро антигелия-3, возникшее в соударениях протонов, будут приходиться десятки миллиардов более легких частиц.
За каждый час ускоритель делает несколько сот плевков - несколько сотен раз ударяет в мишень порция ускоренных протонов. Чтобы за месяц набрать необходимые сотни миллиардов частиц, з, а каждый цикл ускорителя их надо выводить в канал миллионами. Трудно припомнить, когда исследование проводилось в столь интенсивных пучках частиц высокой энергии.
Подготовкой эксперимента, и его проведением занимались четыре исследовательские группы. Каждая из них внесла в эксперимент свою систему анализа, и отбора частиц, свою аппаратуру, свой опыт группы С. П. Денисова, и В. М. Кутьина - газовые черенковские счетчики, позволяющие определять скорости частиц, а по скоростям - их массы, и заряд, группа Л. Г. Ландсберга - сцинтилляционные спектрометрические счетчики, предназначенные для измерения заряда, группа В. И. Рыкалина - счетчики, служившие для отбора частиц по времени пролета, то есть по средней скорости.
Работа велась в специфически новых условиях. Никто не мог сказать, каким окажется выход частиц. Одно ядро на сто миллиардов частиц, несколько антиядер за все время эксперимента - таковы были предварительные оценки. Но верны ли они? Ошибка даже в несколько раз, на порядок, была бы драматичной-тогда месяцы непрерывной работы так, и не дали бы ни одного ожидаемого антиядра.
Но даже если, и верны эти оценки, если режим эксперимента, выбранный в ходе подготовки к нему, оптимален, как разыскать ядра антигелия среди сотен миллиардов разнообразных частиц? Как отсеять из них все посторонние, не сходные с ядром антигелия по массе, и заряду? Для этого нужны строгие критерии, и верные способы отбора. Нужны, наконец, весьма чуткие, и весьма разборчивые приборы, в которых воплощены эти способы, и критерии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Спектрометрические сцинтилляционные счетчики
Есть вещества, которые ионизируются, и начинают светиться, когда сквозь них пролетает заряженная частица. Это явление положено в основу спектрометрического сцинтилляционного счетчика, позволяющего измерить заряд частицы.
Интенсивность свечения ионизации пропорциональна квадрату заряда частицы, а это значит, что ядра антигелия вызовут в сцинтилляционном счетчике вспышки вчетверо более яркие, чем фоновые, однократно заряженные частицы. Световые импульсы преобразуются в электрические, усиливаются, а затем поступают в амплитудные дискриминаторы, где из них отбраковываются слабые, те, что вызваны легкими частицами, не подлежащими регистрации.
Правда, достаточно сильный импульс может дать группа частиц с единичным зарядом, прошедших сквозь пластину одна за другой, почти одновременно - в пределах разрешающего времени электроники. От таких совпадений можно избавиться, если использовать несколько счетчиков, разделенных магнитными полями. Разворачиваясь в магнитных полях то вправо, то влево, частицы, даже шедшие рядом, рано или поздно разойдутся, так, что их различат либо последующие счетчики, либо годоскопы.
Пороговые черенковские счетчики
Не всякие частицы выводятся в канал с внутренней мишени ускорителя, но только те, импульс которых равен, какому-то определенному значению. Это дает еще один способ сортировки частиц - по скоростям. Правда, их скорости будут отличаться друг от друга ненамного. Они огромны, поскольку огромны энергии частиц, и отстоят от скорости света на доли процента. Такой же величиной будут оцениваться, и их взаимные различия. Но еще меньшим значением должна оцениваться точность, с которой на шкале скоростей следует провести грань, отделяющую одни частицы от других.
Провести такую грань позволяет газовый черенковский счетчик. Каждую прозрачную среду характеризует показатель преломления - отношение скорости света в вакууме к скорости, с которой свет распространяется в данной среде. Если заряженные частицы пронзают среду с большей скоростью, они начинают испускать видимый свет, так называемое черенковское излучение. По нему-то, и можно рассортировать частицы на относительно медленные, и относительно быстрые, на перешедшие назначенный скоростной порог, и еще не достигшие его.
Дифференциальные черенковские счетчики
Если бы массивные ядра антигелия-3 обладали тем же импульсом, что, и легкие фоновые частицы, то их скорость была бы самой малой среди всех частиц пучка. Тогда отбор можно было бы произвести простым разделением по скоростям здесь - антигелий, там - все остальное.
Но ядра антигелия обладают вдвое большим импульсом, чем фоновые частицы. Это сдвигает их вправо по шкале скоростей; они оказываются более стремительными, чем антидейтроны.
Значит, чтобы выделить их из пучка, недостаточно разделить шкалу скоростей, надо задать на ней определенный интервал. Такой достаточно узкий интервал, и позволяет выделить дифференциальный черенковский счетчик, настроенный на регистрацию антигелия-3. Одна из границ скоростного интервала определялась давлением фреона, заполняющего счетчик, другая - конструкцией оптической системы, собирающей черенковский свет, и направляющей его в фотоумножитель.
Спектрометры по времени пролета
Два дифференциальных черенковских счетчика были, и, а пучке самыми дальними соседями. Один встречал частицы сразу по выходе их за бетонную стенку ускорителя, другой принимал их у самого финиша. Каждый на своем месте отсортировывал слишком быстрые и слишком медленные из них.
Но такую же сортировку можно провести, и по-другому, определяя время, за которое каждая частица пролетает определенную дистанцию (например, между теми же дифференциальными черенковскими счетчиками или между двумя сцинтилляционными счетчиками), и сравнивая время пролета с тем сроком, за который то же расстояние должно преодолеть ядро антигелия-3.
Этот срок уверенно определялся еще до того, как через установку прошло первое из ядер антигелия. Их роль с успехом, и не раз исполняли антидейтроны.
Канал перестраивался на импульс 13,3 Гэв/с (в таком пучке антидейтроны имеют ту же скорость, что и ядра антигелия-3 с импульсом 20 Гэв/с); антидейтроны выделялись с помощью пороговых черенковских счетчиков в среднем по тысяче за час - этого было вполне достаточно и для настройки, и для калибровки (проверки) приборов.
Регистрирующая электроника
Миллионами за секунду пролетают сквозь строй детекторов стремительные частицы. Миллионами за секунду принимает рапорты от детекторов регистрирующая электроника. С чего же начать разбор донесений, чтобы в конце концов среди сотен миллиардов посторонних частиц надежно выделить несколько ядер антигелия-3?
О двухзарядной частице сцинтилляционный счетчик сигнализирует вчетверо большим импульсом, чем об однозарядной. Чтобы выделить из пучка первые, и подавить регистрацию вторых, интервал между четверкой и единицей разделили пополам, и было решено учитывать только те импульсы, которые по крайней мере в два с половиной раза превышают средний импульс от наиболее типичной фоновой однозарядной частицы - л~-мезона. Отбор выдерживало всего лишь несколько процентов от общего числа импульсов. Загрузка последующей электроники снижалась в десятки раз, и, работая в облегченных условиях, регистрирующие приборы практически не давали сбоев.
Шесть сцинтилляционных счетчиков были сведены в так называемую систему предварительной селекции событий. Сигналы от них, выдержавшие отбор, поступали далее на схему совпадений - совпадение было разрешением на регистрацию подозрительного события.
Участвовал в предварительной селекции событий и один пороговый черенковский счетчик. Его сигнал был запретом на регистрацию ведь пороговый счетчик срабатывает в том случае, если слишком велика скорость (иными словами, слишком мала масса) прошедшей через него частицы.
Настройка этого счетчика нелегка. Его показания подвержены случайным искажениям. Изредка счетчик может не доложить о прохождении слишком быстрых частиц, и, если они идут достаточно плотно, сцинтилляционные счетчики примут их за ядра антигелия, и дадут ложный сигнал на регистрацию. Впрочем, просчеты черенковского счетчика оказались весьма на руку, и устранять их было бы большой ошибкой.
За время эксперимента ожидалось лишь несколько ядер антигелия. И если бы приборы не замечали ничего, кроме них, в промежутках между регистрациями они молчали бы сутками. Кто в этой гробовой тишине не поддался бы сомнению, а вдруг дело совсем не в том, что нет антигелия, вдруг неисправна аппаратура - ведь в ней более тысячи электронных схем, долго ли здесь до случайной поломки?
Вот почему было решено, чтобы система предварительной селекции срабатывала чаще, чем следует, - со средней частотой два раза в час.
По ее сигналу запускалась система экспресс-информации. Колонкой цифр на бумажной ленте она докладывала, каковы амплитуды импульсов, зарегистрированных каждым из счетчиков, каково время пролета частицы на каждом из базовых расстояний, нет ли сигнала от порогового черенковского счетчика, не включенного в систему предварительной селекции, не говорят ли годоскопы о том, что сцинтилляционные счетчики приняли группу однозарядных частиц за одну двухзарядную, и т. д.
По докладу экспресс-информации можно было с уверенностью судить о массе и заряде зарегистрированной частицы. Импульсы от всех счетчиков выводились на экран пятилучевого осциллографа, и полученная картина снималась на пленку. Собранные воедино, эти показания позволяли дать исчерпывающую характеристику подозрительной частице.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Каждая система детекторов, использованных в эксперименте, сама по себе обеспечивала достаточно жесткий отсев частиц. Совместное их применение дало столь высокую степень подавления фона, что несколько ядер антигелия-3 можно было с уверенностью отобрать из сотен миллиардов частиц. Это поистине рекордное достижение.
Перейдем к точным цифрам. В течение эксперимента, длившегося около тысячи часов, через установку было пропущено 240 миллиардов частиц. Система предварительной селекции событий сработала 488 раз. По данным экспресс-информации, пять событий были отмечены во всех счетчиках большими сигналами, соответствующими анти-гелию-3.
Окончательный анализ событий, выделенных системой предварительной селекции, был проведен по осциллограммам. Отбор проводился двумя различными способами, и оба независимо друг от друга подтвердили, что каждое из пяти событий, отобранных по показаниям экспресс-информации, действительно соответствует антигелию-3.
Масса ядра антигелия-3 была определена по его излучению в дифференциальном черенковском счетчике. (Она оказалась равной массе ядра гелия-3 - это подтвердило СРТ-теорему.)
Мнсз = (1/00 ± 0,03) Мцсз
Заряд ядра антигелия-3 был найден по амплитудам импульсов от сцинтилляционных счетчиков.
Z = (0,99 + 0,03) 2е, где е - заряд электрона.
Читайте в любое время
