Время вспять, или Физик, физик, где ты был - [58]

Горовиц был в Копенгагене у Бора, Трошри — в Манчестере у Розенфельда. В Париже оставался Клод Блох, которому его либеральный Горный институт оставлял полную свободу заниматься чем угодно, лишь бы в Париже. Вместе с ним и еще с двумя товарищами мы взялись за изучение книги Вентцеля по квантовой теории поля. Среди блестящих политехников того же выпуска, что и мушкетеры, был Альберт Мессиа, который вертелся среди нас некоторое время, но скоро уехал на несколько лет в Америку. Впоследствии он сделал карьеру в КАЭ и приобрел известность прекрасной книгой о квантовой механике, вышедшей в свет в начале шестидесятых годов. Сказать правду, изучать книги мне порядочно надоело; за последние десять лет я вряд ли занимался чем-нибудь другим. Поэтому я узнал с удовольствием, что КАЭ заинтересовался постройкой ускорителей. Эти машины заменили источники альфа-частиц, с помощью которых Жолио сделал несколько своих замечательных открытий. В 1947 году в его распоряжении имелся циклотрон в несколько МэВ (1 МэВ = 1000 000 эВ) и электростатический генератор в 1,5 МэВ в другой лаборатории в Иври (Ivry), вблизи Парижа. Но после открытий, сделанных в США и в СССР, увидели свет новые типы ускорителей.

*Первая встреча с ускорителями

Первым из ускорителей был циклотрон с модуляцией частоты. Напомню, что в обычном циклотроне частица с электрическим зарядом вращается в зазоре электромагнита с угловой скоростью Ω, пропорциональной магнитному полю и обратно пропорциональной ее массе. При каждом обороте частица получает ускоряющий импульс от электрического поля, колеблющегося с той же частотой П, которое действует, как дрессировщик в цирке, щелкающий кнутом в такт оборотам лошади на арене. Это так называемое «резонансное условие». Но с увеличением энергии ускоряемой частицы увеличивается ее масса, а угловая скорость уменьшается, нарушая резонансное условие. Чтобы сохранить это условие, частота импульсов от электрического поля должна изменяться (быть модулированной) в течение цикла ускорения.

Пользуясь этим методом, столь простым в теории, но не на практике, стало возможным увеличить энергию частиц от нескольких МэВ в старых циклотронах до нескольких сотен МэВ. На этом принципе больше тридцати лет работает циклотрон ЦЕРН'а с энергией 600 МэВ. Спрашивается, почему нельзя подняться еще выше? Трудность заключается в том, что чем выше энергия частицы, тем больше радиус ее траектории. Она описывает спираль, разворачиваясь из центра зазора с мгновенным радиусом, пропорциональным импульсу и обратно пропорциональным магнитному полю. С увеличением энергии (а значит, и импульса) радиус траектории растет, поверхность, покрываемая спиралью, тоже, что требует недопустимого увеличения веса магнита.

Поэтому пришлось изобрести машину нового типа — протонный синхротрон, в котором частота электрического поля и величина магнитного поля модулируются одновременно таким образом, чтобы сохранить не только резонансное условие, но еще и постоянный радиус для орбиты частицы. Тогда достаточно поддерживать магнитное поле в узком кольце, окружающем орбиту, что, конечно, уменьшает значительно вес магнита. Таков принцип цернского суперсинхротрона SPS, который ускоряет протоны до энергии в 450 ГэВ (1 ГэВ = 1000000000 эВ).

С помощью очень остроумного изобретения, сделанного в ЦЕРН'е Симоном ван дер Меером (Simon van der Мееr), описание которого завлекло бы нас слишком далеко, в 1983 году две группы физиков под руководством Карло Руббиа (Carlo Rubbia) и Пьера Дарьюла (Pierre Darriulat) обнаружили в ЦЕРН'е так называемые промежуточные бозоны W я Z, предсказанные так называемой теорией электрослабого взаимодействия Глэшоу, Салама и Уайнберга (Glashow, Salam, Weinberg). В американской лаборатории Фермилаб построена машина того же типа, которая ускоряет протоны до 1 ТэВ. (1 ТэВ = 1000 ГэВ); поэтому она и названа Теватрон.

А как обстоит дело с электронными ускорителями для очень высоких энергий? — Гораздо сложнее. Это связано с тем, что масса электрона меньше массы протона приблизительно в 2000 раз. Можно показать, что энергия, излучаемая заряженной частицей в кругообразном движении, обратно пропорциональна четвертой степени ее массы покоя.

Для энергий электронов, сравнимых с энергиями протонов ЦЕРН'а или Фермилаба, потери на излучение становятся недопустимо большими. Поэтому для электронного ускорителя LEP (Large Electron-Positron (collider)), который теперь запущен в ЦЕРН'е, для первой очереди была выбрана более скромная энергия 50 ГэВ, которая позже будет доведена до 100 ГэВ. Даже это стало возможным только благодаря очень значительному увеличению радиуса машины, которое уменьшает центростремительное ускорение частиц, а значит, и излучение.

Одним из замечательных свойств электромагнитного излучения вращающихся ультрарелятивистских частиц, масса которых во много раз превышает их массу покоя, является его непомерная спектральная ширина. Излучение содержит не только частоту самого вращения, но и чрезвычайно высокие гармоники, простираясь до оптического, ультрафиолетового и даже рентгеновского диапазона. Эта особенность электронных синхротронов, считавшаяся вначале простым курьезом и даже неудобством, приобрела недавно огромное значение, сделав их мощными и непрерывными источниками рентгеновского излучения. Дошло до того, что строятся электронные синхротроны, специально предназначенные для применения этого излучения в физике твердого тела, химии и биологии.