Выбирать было очень сложно. Узколабораторных изобретений, оказавших тем не менее значительное влияние на науку и технику, в СССР сделали достаточно много. А я решил ограничиться тремя. Так что не судите меня строго за такой выбор (если он кажется вам неправильным) – просто эти три открытия показались мне наиболее важными и интересными.
Многие слышали словосочетание «черенковский детектор» – о нём нередко говорят, например, по телевизору в самых разных передачах. Я попытаюсь кратко рассказать, кто такой Черенков и почему детектор, названный его именем, так важен для мировой науки.
Собственно, с Павла Черенкова всё началось. В 1934 году он, 30-летний физик, работал в лаборатории Сергея Вавилова, исследуя люминесценцию жидкостей под воздействием гамма-излучения. В процессе он обнаружил необъяснимое голубое свечение; последующие опыты показали, что излучение присутствует у всех прозрачных жидкостей и не является люминесценцией. Явление получило название эффекта Вавилова – Черенкова, а спустя три года, в 1937-м, Игорь Тамм и Илья Франк дали эффекту теоретическое объяснение.
Есть такое понятие – фазовая скорость, то есть скорость перемещения поверхности постоянной фазы электромагнитной волны вдоль направления её распространения. Посмотрите на иллюстрацию:
Теперь представьте себе волну – электромагнитную или, если так вам будет проще, океанскую. Высшая её точка на иллюстрации – А, и эта точка движется со скоростью V. Собственно, V и есть фазовая скорость.
Так вот, фазовая скорость света в какой-либо среде зависит от показателя преломления этой среды, и равна она скорости света в вакууме, делённой на показатель преломления. Иначе говоря, фазовая скорость света в среде может быть существенно ниже скорости света в вакууме. И если в среду попадает заряженная частица (скажем, электрон или позитрон), движущаяся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, получается, что она движется быстрее света! Представьте себе самолёт, который летит на сверхзвуковой скорости и создаёт перед собой ударную волну, или катер, оставляющий на поверхности воды расходящиеся в стороны волны. Так же ведёт себя и заряженная частица: двигаясь через среду, она «расталкивает»[9] свет и вызывает вынужденное излучение, которое распространяется в виде конуса, где вершина – сама частица (катер или самолёт), а ось – направление её движения. Это и есть эффект Вавилова – Черенкова, то самое знаменитое свечение в бассейнах, которое любят показывать во время экскурсий на АЭС: гамма-излучение отработанного ядерного топлива выбивает электроны из атомов молекул воды, а эти электроны, двигаясь в воде с околосветовой скоростью, порождают зелёно-голубое черенковское излучение.
Направление черенковского излучения (то есть угол при вершине конуса) зависит от скорости и, следовательно, энергии частицы. Это свойство позволило построить черенковский детектор – устройство, фиксирующее количество, скорость, энергию и другие показатели высокоэнергетических частиц, движущихся быстрее фазовой скорости света в среде. Такие детекторы стали важными исследовательскими приборами, позволяющими получить качественную и количественную информацию о различных частицах. В частности, все детекторы нейтрино используют черенковское излучение, возникающее при выбивании этими частицами электронов из атомов. Малая вероятность такого взаимодействия компенсируется гигантскими размерами детекторов (нейтринные телескопы занимают объём в несколько кубических километров льда или воды).
В 1958 году Черенков, Франк и Тамм удостоились Нобелевской премии по физике за открытие и исследование черенковского излучения. Но почему-то у меня в памяти осел другой факт. В то время как Павел Черенков учился, работал, защищал кандидатскую (1935) и докторскую (1940), его отца, крестьянина Алексея Черенкова, сперва раскулачили, а потом, в 1938-м, осудили и расстреляли по сфабрикованному делу за «контрреволюционную деятельность». Такие дела.
Я уже немало рассказал об ускорителях электронных частиц в главе 13. Но, конечно, не всё – тема эта большая и сложная. Сам процесс ускорения не завязан на одном только ускорителе – для проведения опытов со сталкивающимися пучками нужны целые лаборатории со значительным количеством оборудования. Такие лаборатории – средоточие современных технологий, сложнейшие комплексы, в создание которых вложены знания и труд тысяч специалистов. Охлаждение ионов – лишь одна из многих проблем, которые требовалось решить, чтобы построить ускоритель.
Как несложно догадаться, для эффективного столкновения ионов в ускорителе нужно добиться максимальной плотности пучка частиц. Если они слишком разрежены, столкновений будет мало и произошедших реакций не хватит для фиксации результатов. Так что фокусировка пучков ионов была проблемой с самого начала.
