Глава 4
Облачные камеры: космические лучи и ливни новых частиц
На горе Голливуд, за известным знаком, возвышается величественное белокаменное здание, из которого открывается вид на Лос-Анджелес. Это не особняк, а общественный музей: обсерватория Гриффита. Здесь посетители смотрят шоу в планетарии и рассматривают ночное небо в телескопы, исследуя свое место в космосе. Внутри, среди прохладного темного мрамора, находится серия экспонатов, один из которых – расположенный в квадратной коробке из плексигласа – содержит ключ к следующему шагу в нашем путешествии. Он неприметен, несколько затенен кусками метеорита, лунными камнями и огромным изображением ночного неба. Но любопытные посетители вознаграждаются завораживающим зрелищем: на черном фоне время от времени образуются крошечные следы конденсата, их около 20 каждую секунду. Они появляются внезапно, грациозно опускаются на полсекунды, а затем исчезают.
Устройство представляет собой облачную камеру, один из первых детекторов частиц, который позволяет людям видеть частицы, пролетающие мимо за стомиллионную долю секунды. Внутри остаются видимые следы, короткие треки, толщиной с карандаш, образованные альфа-частицами (ядрами гелия), и тонкие, легкие, похожие на паутину дорожки – в основном электроны (бета-лучи) или гамма-лучи. Они меньше атомов, объекты, которые мы не можем увидеть, потрогать или иным образом обнаружить нашими органами чувств. Но вот устройство, которое позволяет нам их видеть. Хотя мы не можем воспринимать эти частицы непосредственно – они слишком малы для этого, – благодаря облачным камерам мы можем увидеть эффект, который они оставляют после себя.
Эта версия камеры в обсерватории Гриффита называется диффузионной камерой, она была разработана в 1936 году американским физиком Александром Лангсдорфом – усовершенствованная облачная камера на основе оригинального изобретения начала 1900-х годов. Ее идея проста, но она изменила наше понимание фундаментальных составляющих природы. Вверху герметичной камеры собираются пары спирта, а затем опускаются на холодную металлическую пластину внизу. Падая и охлаждаясь, пар переходит в состояние, называемое перенасыщением, при котором любое малейшее возмущение приведет к образованию капель. Проносясь сквозь пар, заряженные частицы ионизируют его, оставляя достаточно энергии, чтобы образовать крошечную полоску облака, похожую на белый инверсионный след, который оставляет за собой реактивный самолет.
В этой главе мы проследим за историей облачной камеры – от ее скромного начала до расцвета в начале 1930-х годов, когда она способствовала ряду замечательных открытий, включая совершенно неожиданные новые частицы, которые изменили наш взгляд на материю. Новые частицы, которые даже не входят в атомы. Мы увидим, как этот новый детектор вывел экспериментаторов за пределы их подвалов и повел в горы открывать новые перспективы, подгоняя теоретиков и заставляя их мчаться наверстывать упущенное. Мы также увидим, как эти новые знания о материи позволили совершенно иным способом заглянуть внутрь пирамид и вулканов.
Новая эра открытий началась с, казалось бы, простого вопроса – того самого, который часто задают посетители обсерватории Гриффита, если находят время понаблюдать за непрекращающимся потоком треков частиц, проходящих через облачную камеру: откуда берутся все эти частицы?
В начале 1900-х годов ученые задавались почти таким же вопросом, пытаясь выяснить, откуда исходит дополнительное излучение, которое они наблюдают в своих приборах. Исследования радиации проводились в лабораториях Берлина, Вены и Кембриджа с использованием простого и довольно грубого устройства, называемого электроскопом. Одним из свойств, которое было легко предсказать, был так называемый закон обратных квадратов, согласно которому, если экспериментатор находится в два раза дальше от источника излучения, обнаруженный уровень снизится в четыре раза. По крайней мере, так предполагалось, но некоторые проницательные ученые заметили, что их приборы, по-видимому, улавливают некоторое дополнительное излучение. Почему радиации было больше, чем они ожидали? Без ответа на этот вопрос исследователи едва ли могли надеяться понять, что происходит в их экспериментах в лаборатории.
Ответ казался простым: излучение исходит из минералов в Земле. В своей работе по открытию радия и полония, которые использовались в качестве лабораторных источников, Мария Кюри, как известно, провела годы, работая в старом сарае, где измельчала и перерабатывала тонны минерала, называемого смоляной обманкой. Эти два новых элемента были ценным предметом для ученых, изучающих свойства излучения, и они происходили из самой Земли. Таким образом, по логике, именно эти минералы должны были создавать тревожный радиационный фон. Ответ казался ясным, как и способ его проверки. Если радиация исходила от Земли, ее должно быть меньше в атмосфере. Ученые подозревали, что примерно на высоте 300 метров излишняя радиация должна полностью исчезнуть.
Для молодого предприимчивого физика это стало бы прекрасным приключением. Все, что нужно, – это прибор для обнаружения радиации и высота. В начале 1900-х годов был только один способ достичь больших высот, если вы не альпинист: полет на воздушном шаре. По крайней мере, три разных исследователя быстро поднялись в небо в поисках фонового излучения, взяв с собой простые электроскопы, но все три эксперимента провалились. Движение шара сотрясало электроскопы, а изменение давления приводило к проникновению воздуха в устройство и проблемам с электрической изоляцией.
Электроскопы были популярны, потому что их мог дешево изготовить практически любой желающий. Все, что для этого требовалось, – это металлический стержень, установленный внутри герметичного контейнера, например банки, так, чтобы он был электрически изолирован. На конце стержня подвешивались два тонких кусочка золотой фольги. Когда заряженный предмет – например стеклянный стержень, натертый мехом, – касался электрода, заряд передавался вниз на золотые листья, которые разводились в стороны под действием сил электрического отталкивания, образуя перевернутую форму буквы V. Если бы устройство было идеально герметичным, листья навсегда остались бы в таком положении. Чтобы измерить излучение, вы просто заряжаете электроскоп, затем подносите к нему радиоактивный образец, который ионизирует часть воздуха внутри и заставляет листья терять свой заряд и медленно опускаться обратно навстречу друг другу. Скорость, с которой падают листья, преобразуется в количество радиации, воздействию которой подверглось устройство. Электроскопы явно предназначались для устойчивого лабораторного стенда, а не для того, чтобы использовать их на воздушном шаре.
После этих провалов и растущего замешательства немецкий священник-иезуит и физик Теодор Вульф понял, что решение заключается в создании более надежного электроскопа. В 1909 году Вульф изменил прибор, использовав вместо золотой фольги две тонкие проволоки с платиновым покрытием. Это оказалось гораздо более надежным решением. Вульф отправился в Париж, чтобы протестировать свой инструмент на двух разных высотах. Сначала он встал у основания Эйфелевой башни и измерил уровень радиации. Затем он поднялся на башню и на высоте 300 метров – как раз там, где, как ожидалось, излучения не будет, – обнаружил, что радиация сохраняется. Другие переняли его метод, но их результаты были столь же ошеломляющими. Итальянский физик Доменико Пачини решил для начала исследовать уровень радиации как можно глубже и взял электроскоп Вульфа под воду, где он ожидал обнаружить больше излучения, ведь его окружат минералы Земли. Он обнаружил обратное. Усовершенствованный электроскоп работал, но результаты оказались не такими, как предполагали ученые. Несколько физиков начали склоняться к мысли, что излучение исходит вовсе не от минералов в Земле.
Среди них был двадцатидевятилетний австрийский физик Виктор Гесс, который понял, что это его шанс. Он нанял пилота воздушного шара, завернулся в шерстяное пальто и поднялся в небо с поля у Вены. Воздушный шар взлетел более чем на 5300 м, что значительно выше базового лагеря Эвереста. К своему воздушному шару Гесс прикрепил два новых электроскопа Вульфа, специально приспособленных для работы с перепадами температуры и давления. Несмотря на разреженный воздух и температуру около –20 градусов по Цельсию, ему удалось получить точные измерения и в конце концов спуститься.
Гесс был не первым, кто поднимался на такие высоты или пытался измерить уровень радиации в атмосфере, но он был первым человеком, который смог получить надежный результат. Вернувшись на землю, Гесс просмотрел то, что записал. По мере того как он поднимался, количество радиации сначала немного уменьшилось, но затем начало расти и расти, пока не стало ясно, что на больших высотах радиации гораздо больше, чем на малых. Излучение не могло исходить с Земли – оно должно было исходить из-за пределов атмосферы. Но откуда? Гесс совершил еще один подъем на воздушном шаре во время солнечного затмения, чтобы исключить Солнце как возможный источник. Он измерял совершенно новый источник радиации. Теперь Гесс, Вульф, Пачини и другие физики поняли, что излучение можно обнаружить не только в минералах или в лаборатории. Излучение шло прямо из космоса.
Обнаруженная Гессом радиация, названная космическими лучами, разрешила загадку излишнего излучения, которая мучила физиков более 15 лет, но при этом полностью изменила их представление о том, где можно это излучение найти. Когда я говорю «излучение» в этом контексте, я имею в виду ионизирующее излучение, обладающее достаточной энергией для высвобождения электронов из атомов. Это включает в себя три типа излучения, известных ученым на данный момент: альфа-излучение (ядра гелия), бета-излучение (электроны) и гамма-излучение (высокоэнергетический свет). Где-то в космосе в результате бурных и сильных взаимодействий испускается излучение, достаточно мощное, чтобы преодолеть огромные расстояния, пройти через атмосферу и опуститься на Землю. Но где именно? Как образуется это излучение? Это новый или уже знакомый нам тип радиации? Взаимодействует ли она с атмосферой или проходит прямо сквозь нее? Гесс обнаружил космические лучи, но он мало что мог сказать об их природе. Был необходим инструмент, позволяющий больше узнать о радиации – как от космических лучей, так и в лабораториях на Земле.
Чего Гесс и его коллеги действительно хотели, так это какого-то способа увидеть излучение, что было особенно сложно, потому что оно, по большей части, невидимо. И все же они знали, что физика сделала видимыми другие части природы с помощью хитроумных инструментов. Например, глубины космоса нельзя было увидеть до того, как телескоп позволил собирать слабый свет, расширяя представление о Вселенной и нашем месте в ней. Биологические процессы также были невидимы, пока не появились первые микроскопы, открывшие взору мир микроорганизмов, что привело к невероятным открытиям и пониманию передачи болезней и формирования самой жизни. Теперь, в начале 1900-х годов, физики оказались на аналогичной грани, нуждаясь в прорыве в своей способности визуализировать излучение.
Чарльз Вильсон был застенчивым шотландским физиком, который начал свою научную карьеру примерно в то время, когда было открыто излучение. Его наследие сыграло важную роль в развитии его идей, прежде всего потому, что Шотландия оказалась почти идеальным местом для изучения облаков. В 1894 году, в возрасте 25 лет, Вильсон отправился в Форт-Уильям к самой высокой горе на Британских островах – Бен-Невис.
355 дней в году четко очерченная вершина Бен-Невиса окутана предательским туманом, но Вильсон узрел нечто вроде чуда: беспрецедентный период хорошей погоды. Он успешно поднялся на Бен-Невис и пробыл там две недели, работая волонтером на метеорологической станции. Несмотря на то что он работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже, его первой любовью была не физика, а метеорология. С вершины облака были в основном под ним, и с этой выгодной точки он наблюдал за светом, танцующим на облаках, и формированием цветных колец, называемых «глориями», образующихся в тени горы, на которой он стоял. Он был очарован этими эффектами и хотел воспроизвести и изучить их в лаборатории. Поэтому его первой задачей было выяснить, как создать облака.
Вернувшись в Кембридж, Вильсон начал свой эксперимент. Для этого он использовал перевернутый стакан внутри большой стеклянной банки, наполненной водой, и ряд стеклянных трубок и клапанов, соединенных со второй банкой, находящейся в вакууме. Чтобы управлять камерой, Вильсон тянул за проволоку, выталкивая маленькую пробку, которая позволяла воздуху в стакане расширяться, опуская давление и снижая температуру. Любой, кто открывал бутылку с газировкой и видел, как на крышке образуется туман с шипящим звуком, может представить, что наблюдал Вильсон. Поскольку воздух расширяется при падении давления, он становится перенасыщенным. При благоприятных условиях влага в воздухе конденсируется на частицах пыли и образует мелкие капли, создавая облако. Вильсон успешно воспроизвел это в лаборатории и собирался перейти к воссозданию световых эффектов, которые он наблюдал с вершины Бен-Невиса, но обнаружил то, чего не предполагал: даже в обеспыленном воздухе продолжали образовываться облачные капельки.
Как такое возможно? Чтобы образовались облака, необходимо какое-то возмущение, инициирующее образование капель; технически говоря, должны были быть какие-то ядра конденсации. До сих пор это была пыль. Но что было причиной образования капель в воздухе, свободном от пыли? Из своих более ранних экспериментов Вильсон смог определить, что возмущение вызывало что-то небольшое, возможно, размером с молекулу или атом, что натолкнуло его на идею о том, что капли образуются на ионах внутри камеры. Если это действительно так, он мог бы найти способ сделать атомы или молекулы видимыми и подсчитать их.
Вильсона не интересовали наблюдения за радиацией: она была очень новым и не совсем понятным явлением.
Он выдвинул свою гипотезу: ионы в воздухе ответственны за образование облаков. Он перестроил свой эксперимент с помощью более сложной установки, предназначенной для еще более быстрого расширения. Подготовив новый эксперимент, Вильсон схватил примитивную рентгеновскую трубку и направил ее на камеру. Он обнаружил, что при правильных условиях рентгеновские лучи создают большое количество капель, усиливая эффект, который он видел ранее. Наличие электрических зарядов вызвало образование облаков. Его догадка подтвердилась: рентгеновские лучи создавали ионы в воздухе, и эти ионы создавали ядра конденсации.
Вильсон работал над своей гипотезой, пока другие физики поднимали электроскопы на воздушных шарах и пытались разгадать тайну космического излучения. Он не был в неведении относительно достижений в области радиации – в конце концов, он, должно быть, ежедневно видел Эрнеста Резерфорда и Дж. Дж. Томсона. В какой-то момент в 1901 году он настолько заинтересовался новыми веяниями в физике, что тоже решил поискать фоновое излучение с помощью электроскопа, который установил ночью в тоннеле Каледонской железной дороги. Как и другие, он искал излишнюю радиацию от минералов Земли, но не увидел заметной разницы между радиацией в тоннеле и в своей лаборатории. Вильсон снова переключил внимание на свою более многообещающую работу, предоставив другим разбираться с таинственным излучением.
Кажущееся отсутствие интереса Вильсона к радиации и его странный эксперимент по созданию облаков придавали ему некий ореол загадочности в Кавендишской лаборатории. Он проводил дни, занимаясь тщательной и сложной выдувкой стекла, которое очень часто ломалось. Студенты и сотрудники сопереживали ему, поскольку все они когда-то обучались стеклодувному делу в так называемой «детской лаборатории» – специальной лаборатории, где студенты-исследователи изучали замысловатые принципы создания устройств, таких как электрометры, прежде чем приступить к воспроизведению известных экспериментов. Многие из них позже с нежностью вспоминали фоновый звук выдувания стекла Вильсоном, который стал почти саундтреком к их работе в Кавендише.
Научная стеклодувная мастерская сегодня большая редкость, поэтому нам трудно оценить, как много навыков требовало проведение эксперимента, подобного облачной камере, до появления автоматизированного проектирования и фрезерных станков, которые мы используем для проведения современных опытов. Требовались годы, чтобы освоить необходимые методы, но характерные для Вильсона терпение и мягкость позволили ему создать то, что Резерфорд назвал «самым оригинальным и замечательным инструментом в истории науки».
Кустарное изготовление стеклянного компонента требовало нагрева стекла до нужной температуры. В одной руке Вильсон держал паяльную лампу: для создания достаточного количества тепла, чтобы стекло расплавилось именно так, как ему было нужно, он немного открывал газ, заставляя горелку издавать безошибочно узнаваемый свист – звук, который позже многие с ним ассоциировали. Точно в нужный момент он выдувал ртом воздух через трубу, расширяя стеклянный сосуд с нужной силой, обрабатывая расплавленное стекло ножами и другими инструментами.
Это был жаркий и физически трудоемкий процесс, но всего за пару минут Вильсон мог искусно придать стеклу форму сферической колбы или спирали. Основными элементами его облачных камер были цилиндры, которые должны были идеально подходить друг другу, что часто требовало часов кропотливой шлифовки стекла после его охлаждения. Безусловно, самым коварным процессом было соединение всех частей вместе, когда каждый компонент мог разрушить всю конструкцию. Чаще всего весь эксперимент заканчивался тем, что стекло разбивалось. Вильсон, в отличие от Резерфорда, избегал ругательств в адрес своего аппарата. Он только тихо приговаривал: «Боже, боже», – и начинал сначала.
Сегодня ранние облачные камеры Вильсона хранятся в музее в Новой Кавендишской лаборатории в Кембридже, и на первый взгляд они выглядят довольно примитивно. Их простота создает впечатление, что это были легкие дни открытий, когда любой мало-мальски приличный физик мог сделать революционное открытие о Вселенной. Но как только мы поймем, какой уровень мастерства и терпения требуется, чтобы создать что-то полезное из стекла в начале 1900-х годов, Вильсон и его коллеги-экспериментаторы начинают казаться совершенно исключительными людьми. С помощью этого нового мощного инструмента были сделаны открытия, которые навсегда изменили наш взгляд на материю.
Когда Вильсон впервые разработал камеру, было далеко не ясно, можно ли использовать это устройство для сколько-нибудь серьезного количественного исследования излучения, даже если оно, по-видимому, реагирует на рентгеновские лучи. Только после того как Резерфорд определил природу альфа– и бета-излучения, Вильсон вернулся к облачной камере в 1910 году, на этот раз с новой энергией и амбициозной целью. Он планировал сделать камеру полезным инструментом для наблюдения заряженных частиц.
В 1911 году, через 15 лет после изобретения облачной камеры, Вильсон стал первым человеком, который увидел и запечатлел движение отдельных альфа– и бета-частиц. Он усовершенствовал устройство таким образом, что теперь заряженные частицы создавали белые следы, которые можно было подсветить и сфотографировать. Он описал эти следы, оставляемые электронами, как «маленькие пучки и нити облаков». Вильсон показал фотографию следов альфа-частиц австралийско-британскому физику У. Г. Брэггу, который первым предсказал, что альфа-частица должна сначала постепенно замедляться, а затем резко остановиться, взаимодействуя с наибольшей силой в конце своего пути, создавая облачный след, все более заметный и плотный по мере окончания движения частицы. Вильсон и Брэгг обнаружили, что «сходство между фотографией и идеальной картиной Брэгга было поразительным».
Исследователи по всему миру медленно, но неуклонно внедряли в свои лаборатории облачные камеры, внося в них изменения, чтобы они стали еще более полезными. К концу 1920-х годов большинство облачных камер размещались между полюсами большого магнита, заставляющего изгибаться следы от заряженных частиц. Положительная частица изгибалась в одном направлении, отрицательная – в противоположном, и высокоэнергетическая частица изгибалась меньше, чем низкоэнергетическая. С помощью тщательных измерений исследователи смогли определить электрический заряд и энергию частиц. В лаборатории они узнали, как выглядят различные частицы в облачной камере, и смогли определить их свойства.
Идеи о взаимодействии частиц, родившиеся в ходе мучительных долгих экспериментов, теперь можно было увидеть воочию. Настало время применить эту новую технику для понимания природы космических лучей.
В Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене Роберт Милликен, переехавший туда из Чикаго в 1921 году после своих экспериментов по фотоэлектрическому эффекту (глава 3), призвал своего бывшего аспиранта Карла Андерсона использовать облачную камеру для проведения новых исследований по космическим лучам. В 1929 году советский ученый Дмитрий Скобельцын обнаружил в облачной камере несколько треков, которые вообще почти не изгибались, что указывало на то, что они обладали огромной энергией – более 5000 МэВ, что в 1000 раз превышало лабораторные радиоактивные источники. Они были не просто энергичны: они появлялись в неожиданных группах по два, три или более лучей и, казалось, исходили из точки за пределами камеры. Результаты работы Скобельцына показали, что облачная камера поможет узнать что-то новое и захватывающее о космических лучах.
Андерсон, сын шведских иммигрантов, еще будучи школьником в Лос-Анджелесе, решил, что хочет стать инженером-электриком, несмотря на то что в его семье ни у кого не было опыта работы в технических областях. Учитель посоветовал ему поступить в Калифорнийский технологический институт, где Андерсон понял, что физика – это гораздо больше, чем просто шкивы и рычаги. Он решил сменить специальность и никогда не оглядывался назад. Он уже использовал облачную камеру при подготовке своей дипломной работы с Милликеном и обнаружил, что использование паров спирта вместо водяного пара делает следы намного ярче и их легче фотографировать. Он начал строить новую облачную камеру.
Андерсон нашел мотор-генератор в отделе аэронавтики и сконструировал весь аппарат вокруг него. Не было денег на сложные инженерные разработки – только-только началась Великая депрессия, – так что его эксперимент выглядел устрашающе, но все же работал. Облачная камера была в сердце устройства, окруженная медными трубами, по которым проводилось электричество для создания большого электромагнита. Трубы были полыми, по ним текла вода, чтобы магнит не расплавился. Вместе с железными полюсами, необходимыми для направления магнитного поля, устройство было размером с небольшой автомобиль и весило около 2 тонн. Сама камера была видна через отверстие в одном конце магнита, через которое она могла фотографировать облачные следы. Чтобы управлять устройством, Андерсону приходилось неоднократно создавать очень быстрое расширение паров спирта, что он и делал с помощью подвижного поршня, в результате чего при каждом срабатывании устройства раздавался громкий хлопок. Остальная часть кампуса Калтеха содрогалась от грохота, доносящегося с крыши здания, где был собран аппарат. К счастью для остальных жильцов, Андерсон проводил эксперимент только в ночное время, потому что для него требовалось 425 кВт электроэнергии – значительная часть энергопотребления всего кампуса.
Просматривая полученные фотографии, Андерсон обнаружил, что примерно на 15 из 1300 фотографий были видны следы, соответствующие положительно заряженным частицам. Но следы были слишком длинными для самой легкой из известных положительно заряженных частиц – протона. Что это за, казалось бы, новая частица?
Частицы на его фотографиях имели одну единицу положительного заряда и массу, подобную массе электрона. Сначала он просто назвал их «легко отклоняемыми положительными частицами», но к моменту написания статьи пришел к удивительно смелому выводу. Андерсон полагал, что обнаружил совершенно новый тип фундаментальной частицы, которую он назвал позитроном.
Чего Андерсон не знал, так это того, что за пару лет до этого, в 1928 году, британский физик Поль Дирак предсказал существование позитронов, исходя из одной математической интуиции. В надежде получить представление об атоме для описания объектов, которые движутся очень быстро, Дирак объединил две самые обсуждаемые новые теории в физике: теорию квантовой механики для описания очень малых объектов со специальной теорией относительности Эйнштейна. Полученное им уравнение, известное просто как уравнение Дирака, многие считают самым красивым в физике. Помимо прочего, оно сумело предсказать и открытие Андерсона. Точно так же, как квадратный корень из четырех может иметь решение +2 или –2, уравнение Дирака предполагало, что должны существовать частицы, идентичные электрону, то есть имеющие ту же массу, но с противоположным электрическим зарядом. Дирак не был уверен в физических проявлениях своей теории, но она предсказывала, что у каждого известного типа частиц должна быть ее противоположная версия, которая стала известна как антиматерия (или антивещество).
Так случилось, что Дирак дружил с одним из физиков-экспериментаторов из Кавендишской лаборатории – Патриком Блэкеттом, который затем вместе с физиком итальянского происхождения Джузеппе Оккиалини продолжал совершенствовать технику облачной камеры. Когда Дирак выдвинул свою новую теорию, он поделился ею с Блэкеттом, и вместе они выяснили, что если бы позитрон появился в магнитном поле облачной камеры, то он оставил бы след, который выглядел бы идентично следу электрона, но изгибался в противоположном направлении. Почти за три года до работы Андерсона они просмотрели снимки облачной камеры Блэкетта из экспериментов с радиоактивными источниками. Дирак полагал, что есть множество доказательств существования позитронов, но Блэкетт считал эти доказательства слишком неопределенными, чтобы их публиковать. Он утверждал, что это могут быть электроны, пришедшие извне, которые случайно столкнулись таким образом, что стали похожи на позитроны. У них не было возможности определить разницу между этими своенравными электронами и реальными позитронами, не проводя повторных экспериментов.
Блэкетт, возможно, насторожился еще и потому, что идея Дирака была не совсем хорошо воспринята. Некоторые из великих ученых того времени, мягко говоря, не доверяли идее о том, что наша Вселенная состоит из двух типов материи: «обычной» и зеркальной ей, из антивещества. Австрийский физик Вольфганг Паули, один из пионеров квантовой теории, назвал эту идею «бессмыслицей», а Нильс Бор (глава 2) был «крайне скептичен». Вернер Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, создавший большую часть квантовой механики, включая принцип неопределенности, заявил в 1928 году, что «самой печальной главой современной физики была и остается теория Дирака». Блэкетт вернулся к вычислениям, чтобы определить, действительно ли у них есть доказательства экстраординарной теории Дирака, но пока он размышлял над проблемой, до них дошла новость о том, что Андерсон открыл позитрон.
Андерсон был слишком занят своим экспериментом, чтобы читать статьи Дирака. Возможно, внимание к нему было вполне обоснованным, учитывая, что ему удалось опередить Блэкетта и Оккиалини в открытии позитрона. Однако его результаты горячо обсуждались сообществом физиков, поскольку несколько отдельных фотографий казались скудными доказательствами для столь экстраординарной теории. Кембриджская команда ухватилась за эту мысль и поняла, что у них есть преимущество. Вместо того чтобы собирать тысячи фотографий в надежде, что на нескольких из них может быть что-то интересное, как это сделал Андерсон, Блэкетт и Оккиалини разработали метод, как добиться примерно 80%успеха в захвате интересных частиц, проносящихся через камеру. Для этого они разработали электрический метод «запуска» камеры, поместив счетчик Гейгера над и под устройством так, что если оба счетчика обнаружат частицу примерно в одно и то же время, то камера будет сфотографирована. К 1932 году у них были и метод, и необходимость продолжить работу Андерсона в своих лабораториях.
Блэкетт и Оккиалини быстро подтвердили существование позитронов, и благодаря своим богатым данными наблюдениям они смогли глубже вникнуть в детали. Они наблюдали множество случаев, когда электроны и позитроны обнаруживались на фотографиях вместе. На самом деле, на фотографиях, казалось, было одинаковое количество электронов и позитронов: обычная материя и антивещество создавались в равных количествах. Блэкетт и Оккиалини наблюдали этот процесс в действии, когда высокоэнергетические гамма-лучи (присутствующие в космических лучах) проникали в камеру, одновременно создавая электрон и позитрон в процессе, известном как рождение пар. Это было первое наблюдение превращения фотонов (гамма-лучей) в материю (электроны и позитроны) – процесс, предсказанный сочетанием квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Существование этих взаимодействий выявило второе ослепительное следствие уравнения Дирака, которое в то время только начинало осознаваться теоретиками: антивещество и вещество могут аннигилировать друг с другом при соприкосновении, превращая свою массу в энергию, излучаемую в виде света. Другими словами, масса может быть преобразована в энергию – и наоборот. Они собрали так много фотографий позитронов и рождения пар, что научный мир больше не мог сопротивляться выводам из теории Дирака. Как ни странно, антивещество реально.
Вместо того чтобы переписать историю и приписать себе какое-то озарение, Андерсон прямо заявлял, что «открытие позитрона произошло совершенно случайно». Это было одно из тех открытий, которые и так уже созрели и вскоре бы произошли в другом месте, если бы он не сделал его первым. Вместе с Виктором Гессом Андерсон получил Нобелевскую премию в 1936 году в возрасте 31 года, став самым молодым ученым, когда-либо получившим Нобелевскую премию по физике. Чарльз Вильсон получил премию в 1927 году за изобретение облачной камеры, а Дирак – в 1933 году.
С первой попытки Андерсон добился значительного прогресса в работе с облачной камерой и исследовании космических лучей. Но это было только начало пути. Открытие позитрона намекало на то, что исследование космических лучей приведет к новым знаниям: космические лучи могут быть использованы для обнаружения доселе неизвестных частиц, и природа богаче и изобильнее, чем мы могли подумать.
Позитронный эксперимент показал, что можно обнаружить на уровне земли, но о самих космических лучах все еще мало что было известно. В 1935 году Андерсон отправился в новое приключение с облачной камерой, на этот раз уже со своим студентом-дипломником Сетом Неддермейером. Чтобы изучить космические лучи на большой высоте, Андерсон и Неддермейер решили подняться на гору Пайкс-Пик в Колорадо. Их план предусматривал работу на высоте 4300 метров, где уровень кислорода составляет всего 60 % от уровня моря, что подвергало ученых риску высотной болезни. Климат на Пайкс-Пик тоже негостеприимный: снег падает почти весь год, а когда дует ветер, что случается довольно часто, он может достигать скорости до 160 км/ч. И – в довершение всех бед – у Андерсона и Неддермейера по-прежнему почти не было средств.
Им удалось наскрести денег, чтобы купить бортовой грузовик за 400 долларов, установить на него свое устройство и отправиться через всю страну к Пайкс-Пик. Все шло гладко, пока они не начали подъем. Из-за большого веса и низкого уровня кислорода старый грузовик не смог подняться в гору. Их спасли и отбуксировали. Когда они в конце концов добрались до вершины, то поняли, что им не хватает электричества для питания приборов, поэтому они купили другую машину и использовали ее двигатель в качестве генератора.
Когда все, наконец, было запущено, два физика делали снимки в течение шести долгих недель. Затем они проявляли фотографии, чтобы получить хоть какой-то намек на то, что же они снимали. На холодной и темной горе они изучали изображения в поисках электронов, позитронов, протонов и альфа-частиц. В то же время они продолжали находить следы частиц, которые выглядели очень похожими на электроны, но казались примерно в 400 раз тяжелее и имели как положительные, так и отрицательно заряженные версии. Эти частицы не были протонами – они были слишком легкими, – и они также не были недавно открытыми позитронами. Оставалось сделать только один вывод: они открыли еще один новый тип частиц.
Теперь мы называем эти частицы мюонами. Они обладают точно такими же свойствами, что и электроны (или позитроны в случае антимюонов), но тяжелее по массе. Время их жизни очень мало: мюоны распадаются за 2,2 миллионных доли секунды, превращаясь в электроны. Когда высокоэнергетические космические лучи попадают в атмосферу, их столкновения создают ливни новых частиц, огромное количество которых – это мюоны. Каждую минуту каждого дня около 10 000 мюонов бомбардируют каждый квадратный метр поверхности Земли (каждую минуту несколько из них проходят через вашу голову), и все же мы не можем увидеть, почувствовать или иным образом обнаружить их без специального оборудования. На высоте их даже больше, чем внизу, на уровне моря.
В отличие от электронов, протонов и других частиц, у существования мюонов, казалось, не было очевидной практической причины. Мюоны – фундаментальные частицы, то есть они не состоят из других частиц, но они и не составляют никакую часть обычной материи вокруг нас. Узнав о мюоне, один физик того времени спросил: «Кто это заказывал?». Причина их существования была и остается полной загадкой. Глубина и сложность субатомного мира только начала представать перед физиками во всей своей красе.
Одна идея о том, что такое мюон, иллюстрирует теоретическое понимание 1935 года. Молодой японский теоретик Хидэки Юкава за год до открытия мюона предположил, что сила, удерживающая ядро вместе, – сильное ядерное взаимодействие, – обусловлена частицей с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона. Эту предлагаемую частицу он назвал мезоном – от греческого слова, означающего «промежуточный», потому что он предсказал, что мезон должен иметь массу где-то между электроном и протоном.
Сначала некоторые физики думали, что мюон и есть мезон Юкавы, но вскоре они поняли, что этого не может быть, поскольку мезон должен сильно взаимодействовать с материей. Мюон, с другой стороны, проходит прямо сквозь листы свинца и других материалов.
Чтобы получить самую выгодную позицию и самые точные данные, иногда приходилось идти на в высшей степени смелые эксперименты, которые раздвигали границы технологий. Эксперимент Андерсона с облачной камерой позже был еще раз воспроизведен на борту военного самолета B-29 с целью изучения космических лучей на большой высоте, но технические проблемы были настолько велики, что эксперимент не дал никаких особых результатов. Со временем стало ясно, что частицы, составляющие материю нашего повседневного существования, – лишь часть скрытого мира. За его пределами есть гораздо, гораздо больше всего.
Сначала открытие излучения изменило наш взгляд на материю, указав на ее постоянное изменение, теперь же космические лучи начали разрушать идею о том, что атомы – единственная форма материи. Мюон был только началом.
Подниматься на большую высоту для обнаружения космических лучей до того, как они вступят во взаимодействие с атмосферой Земли, становилось все более важным по мере накопления новых знаний о космических лучах и новых частицах. Как показали эксперименты с B-29, для высокой точности требовался более надежный тип детектора, чем облачная камера. Многие физики усердно работали над созданием нового детектора. В отличие от сложных поршней и камер, используемых в облачных камерах, ядерные эмульсии были пассивными детекторами без движущихся частей. По сути, это был особый тип фотопластинки с кристаллами галогенида серебра, взвешенными в желатине и чувствительными к прохождению заряженных частиц. Ядерные эмульсии показали себя надежнее облачных камер и гораздо менее обременительными в работе: их можно было оставлять без присмотра, пока они накапливали данные, в течение нескольких месяцев, и даже можно было без проблем запускать высоко в атмосферу.
Метод использования этих эмульсий для изучения космических лучей был разработан австрийским физиком Мариеттой Блау во время ее неоплачиваемой работы в престижном Институте радия в Вене. Она получила докторскую степень в Вене в 1919 году, работая под руководством Франца Экснера и Стефана Мейера – оба были сторонниками женщин-ученых. Свою многообещающую карьеру она начала во Франкфуртском университете, где преподавала радиологию студентам-медикам и публиковала исследования по фотоэмульсиям для рентгеновских лучей и видимого света. Когда в 1923 году она вернулась в Вену, чтобы ухаживать за больной матерью, она взяла на себя неоплачиваемую работу в Институте, поскольку не могла найти ничего другого, живя за счет грантов и преподавания в колледже.
Исследования Блау в Вене объединили то, что она узнала во Франкфурте, с ее знаниями о развивающейся области ядерной науки и показали, что фотографические эмульсии могут быть использованы для изучения космических лучей. Блау сотрудничала с производителем эмульсий Ilford над созданием чрезвычайно толстых версий, которые лучше подходили для регистрации частиц. Со своей бывшей студенткой Гертой Вембахер в течение четырех месяцев она проводила эксперимент на исследовательской станции Хафелекар в Австрийских Альпах. Результаты показали замечательное новое открытие «раскалывающихся звезд», оставшихся после того, как космические лучи столкнулись с тяжелыми ядрами внутри эмульсии и заставили их взорваться в звездообразные массивы треков частиц.
К сожалению, работа Блау очень скоро была прервана. Она была еврейкой и накануне аншлюса 1938 года бежала из Австрии и поселилась у новатора химии Эллен Гладиш в Осло, позже переехала в Мексику и затем с помощью Эйнштейна – в Соединенные Штаты. Тем временем ее коллега Вембахер, член нацистской партии, продолжала публиковать их результаты, но не ссылалась на вклад Блау.
В Азии методику Блау переняла другая женщина, Бибха Чоудхури, индийская исследовательница, получившая степень магистра физики в 1934 году. Это все еще было редким достижением для женщины в любой точке мира, в том числе и в Индии. Когда Чоудхури впервые попробовала присоединиться к исследовательской группе Д. М. Бозе, ей сказали, что у него не было проектов, подходящих для женщин. Она упорствовала, и с 1939 по 1942 год Чоудхури и Бозе проводили исследования космических лучей, на несколько месяцев оставляя фотоэмульсии на больших высотах в горах близ Дарджилинга, Сандакфу и прочих мест. Эмульсии надо было тщательно проявлять и обрабатывать, что могло занять месяцы работы с микроскопом. Чоудхури и Бозе обнаружили доказательства существования двух новых субатомных частиц с массами, примерно в 200 и 300 раз превышающими массу электрона. Мы уже знакомы с одной из них – мюоном, но второй – новенький в нашей истории: пион. Существует три типа пионов (положительный, отрицательный и нейтральный), о которых мы поговорим подробнее в следующих главах, когда будем разбираться в новых частицах и силах, с помощью которых они взаимодействуют.
Несмотря на то что Чоудхури первой обнаружила частицу, ее вклад не был признан научным сообществом. В 1947 году британский физик Сесил Пауэлл (совместно с Джузеппе Оккиалини) использовал тот же метод, хотя и с улучшенными эмульсиями, чтобы продемонстрировать существование пиона. В 1950 году Нобелевский комитет присудил Пауэллу премию по физике «за разработку фотографического метода исследования ядерных процессов и открытие мезонов, осуществленное с помощью этого метода», но Чоудхури не получила Нобелевскую номинацию. Причина, по которой ее эксперимент не рассматривался Нобелевским комитетом как открытие пиона, по-видимому, связана с тем, что качество использованных ею эмульсий не могло однозначно подтвердить полученные результаты, что было вызвано проблемами с поставками во время Второй мировой войны. Но достаточно беглого поиска, чтобы найти ссылку Пауэлла на ее исследования в одной из его ключевых работ и признание приоритета ее работы в его книге об элементарных частицах.
Блау несколько раз номинировалась на Нобелевскую премию по физике за изобретение метода фотоэмульсии, который научное сообщество, включая Пауэлла, признало необходимым для их прогресса в понимании космических лучей. Ее изобретение, произведенное в больших количествах фирмами Ilford и Kodak, привело к широкому использованию фотографических эмульсий и сыграло важную роль в открытии Пауэллом пиона. Однако предвзятые сообщения о ее вкладе и откровенно негативная оценка одного из членов Нобелевского комитета стали причиной того, что Блау тоже осталась незамеченной.
Ситуации с Блау, Чоудхури и другими не аномальны. На протяжении всей истории было множество случаев непризнания или отрицания вклада женщин в науку, у этого эффекта даже есть свое собственное название: эффект Матильды. Это название было придумано в 1993 году историком Маргарет Росситер, оно отсылает к американской суфражистке Матильде Дж. Гейдж, которая в конце XIX века первая описала этот феномен. Росситер надеялась, что, дав эффекту название, она вдохновит историков, социологов и – хотелось бы надеяться – самих ученых рассказывать больше историй о систематически забытых женщинах в науке или работать над тем, чтобы лучше осветить их вклад.
Команды физиков по всему миру продолжали изучать космические лучи с помощью облачных камер и фотоэмульсий в течение следующих двух десятилетий, постепенно выясняя их свойства. Известно, что космические лучи имеют внеземное происхождение, и все же даже сейчас, почти столетие спустя, их образование плохо изучено. Информация от Космического телескопа Ферми предоставляет доказательства того, что они могут образовываться в сверхновых и набирать высокую энергию в гравитационных полях около черных дыр. Как бы они ни образовывались, мы знаем, что в основном они состоят из протонов с очень высокой энергией. Эти протоны проносятся сквозь атмосферу Земли и сталкиваются с атомами в воздухе, создавая лавину других частиц: мюоны и позитроны как раз-таки и есть эти «вторичные» частицы. Почти все протоны и многие вторичные частицы либо взаимодействуют с воздухом, либо распадаются (жизненный цикл мюонов составляет 2,2 микросекунды) до достижения земли, поэтому первые исследователи отмечали меньшее количество космических лучей на уровне земли.
Космические лучи несут в себе огромное количество энергии – настолько большое, что они легко разбивают атомы на части. Если это произойдет в нужном месте, как поняла Мариетта Блау, ученые смогут наблюдать за результирующими фрагментами этих столкновений и узнать о природе атома и других частиц. Теперь мы знаем, что многие космические лучи прошли световые годы через Вселенную, принося с собой информацию о том, что находится в астрономических системах, таких как нейтронные звезды, сверхновые, квазары и черные дыры.
Здесь, на Земле, мы совершенно не обращаем внимания на ливень космических лучей, и все же около 100 из них проходят через наши тела каждую секунду. Каждую секунду на Землю обрушивается миллиард миллиардов космических лучей мощностью более миллиарда ватт. Если бы вы каким-то образом смогли использовать эту мощность и сложили ее в кВт (стиральная машина потребляет примерно 1 кВт в час), то это составит 3,6 миллиарда кВт в час, или около 32 000 ТВтч (терраватт-часов) в год, что примерно на 50 % выше потребления электроэнергии всей планетой в 2018 году.
По мере открытия новых частиц и сил одно оставалось верным: ученые, которые их открывают, почти неизменно считают, что они не будут иметь никакого практического применения. Точно так же, как Дж. Дж. Томсон не мог найти применения электрону, ценность космических лучей долго оставалась неясной. Теперь, спустя более века после первого обнаружения космических лучей и почти 80 лет после открытия мюона, достижения в области технологий привели к пониманию того, как космические лучи взаимодействуют с Землей, и к реальному применению как позитронов, так и мюонов.
Космические лучи могут рассказать нам больше об истории жизни на Земле. Воздействие космических лучей на азот в атмосфере создает радиоактивный изотоп углерода, называемый углеродом-14. Он взаимодействует с кислородом с образованием углекислого газа, который растения поглощают в процессе фотосинтеза. Животные и люди затем поглощают эти растения, потребляя в основном обычный углерод-12, но вместе с ним – небольшое количество углерода-14. В 1940-х годах Уиллард Либби понял, что, сравнивая количество углерода-14 с углеродом-12 в образце дерева, кости или другого органического материала, можно рассчитать, как давно умерло животное или растение, поскольку период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. Радиоуглеродное датирование, о котором мы подробнее поговорим в следующей главе, оказало глубокое влияние на археологию, позволив создать глобальную временную шкалу, на которую можно поместить события разных регионов и континентов. В результате теперь у нас есть предыстория не только отдельных регионов, но и всего мира.
Взаимодействие космических лучей может также рассказать нам об истории климата Земли и его изменениях на протяжении геологического времени, в частности, о влиянии Солнца. Солнце не является источником высокоэнергетических космических лучей – мы знаем это уже более столетия, с тех пор как Виктор Гесс запустил свой воздушный шар во время солнечного затмения, – но Солнце действительно влияет на то, сколько космических лучей достигает Земли. Теперь мы знаем, что Солнце постоянно выбрасывает материал, называемый солнечным ветром, создавая гелиосферу – огромный пузырь в космосе, окружающий планеты Солнечной системы. Когда активность Солнца низкая, гелиосфера слабее, и она пропускает в Солнечную систему больше космических лучей, которые сталкиваются с атомами в атмосфере.
Когда протоны космических лучей сталкиваются в атмосфере с кислородом, могут образоваться два изотопа бериллия: бериллий-7 и бериллий-10, которые в конечном итоге оседают на Земле. Период полураспада бериллия-10 составляет 1,4 миллиона лет, и он распадается до бора-10, а бериллий-7 распадается всего за 53 дня до лития-7. Эти изотопы накапливаются в слоях льда в Антарктиде и Гренландии, а бурение льда для извлечения кернов дает удобный способ проследить их историю. Для каждого слоя соотношение двух изотопов помогает определить, как давно они образовались в атмосфере, а количество бериллия-10 говорит нам о том, насколько была активна гелиосфера и, следовательно, Солнце. Используя этот метод, мы можем сказать по космическим лучам, действительно ли солнечная активность связана с изменением климата на Земле.
Частицы, обнаруженные в результате исследований космических лучей, также нашли повседневное применение. Позитроны, которые естественным образом испускаются в некоторых процессах радиоактивного распада, используются для выявления и понимания заболеваний с помощью метода позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Аппараты, которые проводят подобное медицинское сканирование, можно найти в большинстве крупных больниц, и мы узнаем чуть больше об их применении в другой главе.
Безусловно, самой неожиданной частицей, нашедшей применение, остается мюон. Мюоны обладают уникальной особенностью, заключающейся в том, что они могут проходить долгий путь сквозь плотные объекты – свинцовая стена или несколько сотен метров скалы для них не помеха. По мере развития технологий физики поняли, что если они смогут правильно настроить детекторы, то смогут использовать мюоны как рентгеновский сканер. Поскольку мюоны могут проходить сквозь массивные объекты, им доступно то, чего не могут сделать рентгеновские лучи.
Мюоны были впервые использованы не в Соединенных Штатах или Европе, где они были обнаружены и изучены, а – что несколько удивительно – в Австралии. В 1950-х годах физик по имени Э. П. Джордж использовал мюоны космических лучей для измерения плотности породы над новым туннелем для огромной гидроэлектростанции Гидрокомплекса Сноуи. С помощью счетчика Гейгера он сначала обнаружил мюоны в тоннеле и на поверхности, а затем, руководствуясь полученными результатами, измерил глубину и плотность грунта между ними. Но счетчик Гейгера, который использовал Джордж, не давал никакой информации о направлении, откуда исходили мюоны, так что сделать какое-либо изображение было невозможно.
К 1960-м годам Луис Альварес (который также был научным директором ЦЕРНа, о нем мы поговорим позже) сотрудничал с археологами, чтобы использовать мюоны для сканирования внутренностей пирамид, что в конечном итоге привело в 2010 году к запуску проекта ScanPyramids Каирского университета и французского Института сохранения культурного наследия и инноваций (HIP). Археологи думали, что узнали все, что нужно было знать о Великой пирамиде Хуфу в Гизе, но в 2017 году команда ScanPyramids разместила мюонные детекторы вокруг пирамиды, а также внутри Камеры царицы, и пришла к удивительному выводу: внутри сооружения есть скрытая комната, отделенная от всех остальных. Это была первая новая комната, обнаруженная с XIX века. Это стало прорывом в понимании внутренней структуры пирамиды и, возможно, шагом к окончательному пониманию ее конструкции.
По сравнению с электронами или рентгеновскими лучами, мюоны не очень сильно взаимодействуют при прохождении сквозь материю, поэтому они менее склонны к рассеянию и в основном проходят сквозь объекты по прямым линиям. Эти свойства дают удивительное преимущество. Размещение детекторов по обе стороны от объекта и корреляция прохождения мюона до и после его вхождения в объект позволяет получать изображения с удивительно хорошим разрешением, даже если их не так много. Все потому, что они движутся по прямым линиям, по сравнению с рентгеновскими лучами, у которых всегда более рассеянные траектории. Первые изображения, сделанные таким образом, были получены в результате разработок в Соединенных Штатах, а новые и улучшенные методы обнаружения дали нам возможность заглядывать внутрь больших твердых объектов с помощью техники, известной как мюонная томография, или мюография, которая работает как 3D-рентгеновский сканер, но в огромных масштабах. В 2000-х годах исследования и работа в этой области резко набрали обороты.
В 2006 году японская команда под руководством профессора Хироюки Танаки из Токийского университета стала первой, кто использовал мюоны для получения изображения внутренней структуры вулкана, горы Асама в Японии. Геологи были особенно активными сторонниками мюографии. Вскоре были составлены карты лавовых каналов и прогнозирования извержений других вулканов, включая Этну и Везувий. Теперь стало возможно делать снимки движения магмы.
По мере развития технологий мюография стала коммерциализироваться, часто с образованием дочерних компаний из лабораторий, где проводятся исследования. Эти компании нашли обширное и увлекательное применение мюонам, создавая 3D-визуализации всего – от целых контейнеровозов до критически важных объектов инфраструктуры, таких как электростанции.
Системы регистрации мюонов также представлены на рынке агентств национальной безопасности и горнодобывающей промышленности, поскольку они способны выявлять плотные залежи полезных ископаемых, пещеры, тоннели и другие структуры в Земле. Мюоны используются в геофизике, картировании подземных вод и поиске полезных ископаемых. В области ядерной безопасности одной из первых команд, сформированных после цунами 2011 года в Японии, стала группа, которая использовала мюографию для анализа состояния активных зон ядерного реактора АЭС «Фукусима-1», что означает меньшее количество неожиданностей при проведении работ по очистке и ликвидации последствий аварии. Никакая другая техника не может создать такого изображения. Другие группы рассматривают возможность использования того же подхода для проверки объектов хранения ядерных отходов.
Мы только начинаем реализовывать все преимущества мюонов, которые каждый день невидимо для нас проходят в атмосферу. В будущем мы можем использовать мюоны для мониторинга всего – от структурной целостности мостов до гула Земли.
Сегодня физики уже не используют облачные камеры, но когда-то эти детекторы положили начало замечательному исследованию природы космических лучей и позволили открыть целый ряд новых частиц. Облачная камера начинала свое существования как любопытное устройство, предназначенное для воссоздания эффектов света на облаках, и в конечном итоге стала инструментом, необходимым физикам для знакомства с невидимым миром частиц. Впервые физики могли видеть, как частицы проходят через их детекторы, и делать снимки, на которых были запечатлены появление и исчезание частиц.
До облачной камеры физики думали, что существуют только субатомные частицы – внутри атома. Но теперь они знали, что есть и такие частицы, которые не играют никакой роли в материи вокруг нас. Задача, стоявшая перед учеными, состояла в том, чтобы попытаться выяснить, существует ли в природе еще больше частиц и как все эти части взаимосвязаны.
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.
