Самая большая проблема заключалась в том, что физики все еще не могли контролировать то, что наблюдали. Во всех своих экспериментах они полагались на природные источники частиц, от радиоактивных веществ до мюонов космических лучей. Но чтобы глубже проникнуть в суть атома и понять новые частицы, обнаруженные в космических лучах, было необходимо разработать методы манипулирования материей в мельчайших масштабах. Нужно было воссоздать космические лучи в лаборатории.

Глава 5

Первые ускорители частиц: расщепление атома

Чарльз Беннетт купил скрипку за 80 долларов на блошином рынке в Рочестере, штат Нью-Йорк. Когда он заглянул внутрь замысловато вырезанного f-образного отверстия, то увидел характерную желтую надпись: Страдивари. Было множество рассказов о подобных находках на таких рынках: дешевый антиквариат, который, как затем оказывалось, стоит сотни тысяч долларов. Как ни странно, Беннетт и не думал оценивать скрипку профессионально. Мы можем предположить, что все эксперты находились в Европе, и доставка инструмента стоила бы куда больше, чем мог себе позволить бедный аспирант в 1977 году. Вскоре Беннетт понял, что для того, чтобы узнать истинную ценность скрипки, придется ее уничтожить. Беннетт был в тупике: он не хотел так поступать с инструментом. Он вернулся к своей докторской работе по физике.

Чтобы узнать, настоящий ли это Страдивари, ему надо было бы установить возраст инструмента. Беннетт знал о космических лучах и методе углеродного датирования из своего курса физики. Страдивари обычно использовал сочетание ели, ивы и клена. Если предположить, что деревья были срублены незадолго до изготовления инструмента, то с помощью радиоуглеродного анализа можно сравнить количество стабильного углерода-12 с радиоактивным углеродом-14, оставшимся в древесине, и проверить, действительно ли купленная скрипка – шедевр начала XVIII века. Вместе со своим научным руководителем Гарри Гоувом из Рочестерского университета Беннетт подсчитал, что на каждую тысячу миллиардов атомов углерода-12 приходится только один атом углерода-14. Образец, содержащий грамм углерода, будет распадаться и испускать электрон для подсчета примерно раз в 5 секунд. Они думали отколоть крошечные кусочки от скрипки, при этом сохранив инструмент, и попытаться что-то измерить, но скорость подсчета была бы слишком низкой. Чтобы этот метод сработал, им пришлось бы вырезать огромный кусок дерева.

Несколько недель спустя коллеги, которые понятия не имели о загадке скрипки, навестили Гоува с идеей использовать его лабораторию ядерной физики для эксперимента по измерению количества углерода-14 в небольшом образце. Оба его коллеги – Альберт Литерленд и Кен Персер – когда-то работали с Гоувом над экспериментами по ядерной физике, и оба независимо друг от друга пришли к идее использования ускорителя частиц для углеродного датирования. Дискуссия с Гоувом на конференции месяцем ранее подстегнула их визит: у Гоува было экспериментальное оборудование и ноу-хау, чтобы воплотить их идеи в жизнь. Ускоритель частиц Рочестерского университета, затмевающий любое другое оборудование, мог брать небольшие образцы материала и создавать пучки частиц. Гоув никогда раньше не пробовал разделять различные изотопы углерода, но, если предложенный эксперимент сработает, он может пролить свет и на происхождение скрипки, не разрушая ее. Гоув согласился на эксперимент при условии, что Беннетт тоже примет участие.

Чтобы выяснить, действительно ли Беннетт заработает свое состояние, нам нужно понять, как работает использованный учеными ускоритель частиц. До сих пор все эксперименты, которые мы видели, проводились с использованием довольно простого оборудования и радиоактивных веществ, встречающихся в природе. В этой главе мы узнаем, почему для понимания мельчайших составляющих природы вдруг понадобилось оборудование размером со слона. К середине 1970-х годов, когда Беннетт и Гоув столкнулись с загадкой скрипки, эти машины вот уже десятилетия как стали рабочими лошадками физиков-ядерщиков и даже использовались во многих других областях науки и промышленности совершенно непредвиденными способами. Но все это случилось много лет спустя после того, как они были впервые изобретены. Еще в Кавендишской лаборатории в Кембридже в 1920-х годах путь к ускорителям частиц начался с одного из самых волнующих вопросов о природе материи: что же находится внутри атомного ядра?

Резерфорд занял позицию Дж. Дж. Томсона в Кавендише в 1919 году, и с тех пор в его лаборатории царило обычное настроение экспериментирования. Но под ним скрывался поток разочарования. Еще в 1911 году Резерфорд описал существование ядра, а затем посвятил себя пониманию этого нового явления, ожидая добиться быстрых побед. Резерфорд уже привык видеть свое имя в заголовках новостей на регулярной основе, поскольку делал прорыв за прорывом. Но вот прошло почти 10 лет, а он так и не совершил нового большого открытия.

Эксперимент Гейгера и Марсдена, открывший атомное ядро, сделал Резерфорда мировым экспертом в области атомов. К началу 1920-х годов он и химики объединили свои знания и с некоторым трудом различили 90 различных типов атомов, основываясь на их массах. Со временем выяснилось, что атомные массы всех элементов прямо кратны массе самого легкого элемента – водорода. Гелий тяжелее в четыре раза, литий – в шесть раз, углерод – в 12 и кислород – в 16 раз. Это не могло быть совпадением. Более того, вся эта масса исходила не от электронов, крошечных и легких. Ядро – вот ключ к пониманию истинной природы материи. Эта особенность массы атома намекала на то, что само ядро тоже состоит из «строительных блоков».

Единственное, что Резерфорд знал наверняка, – это то, что внутри ядра есть протоны. Во время Первой мировой войны он провел эксперимент, в ходе которого бомбардировал газообразный азот альфа-частицами, в результате образовывались ядра водорода. В 1917 году Резерфорду удалось доказать, что все атомы, по-видимому, содержат ядра водорода – положительно заряженные частицы, которые впоследствии были названы протонами. Проблема заключалась в том, что атомное ядро элементов тяжелее водорода не могло состоять только из протонов. Все положительно заряженные протоны отталкивались бы друг от друга. Так что же удерживает ядро под действием такой «отталкивающей» силы? Резерфорд полагал, что его должна удерживать некая нейтральная частица. В результате атом, подобный гелию, с массой, в четыре раза превышающей массу водорода, но с максимальным электрическим зарядом в два (после потери двух электронов), может содержать не четыре протона, как предполагал Резерфорд, а всего два протона и две неизвестные до сих пор частицы, такие же тяжелые, как протон, но не имеющие электрического заряда. Эти частицы окрестили нейтронами. Резерфорд и его команда годами искали нейтрон, но так ничего и не нашли.

Представьте себе эго Резерфорда: новозеландский фермерский мальчик, он получил Нобелевскую премию в 1908 году, был посвящен в рыцари в 1914 году и теперь стал директором выдающейся физической лаборатории. Почти