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 дело чести – первым найти ответ на самый животрепещущий вопрос физики. К этому моменту космические лучи были открыты, но мюон и позитрон – еще нет. Резерфорд сосредоточился непосредственно на атомном ядре, он чувствовал, что есть только один способ добиться прогресса: нужно разбить ядро на части, чтобы выяснить, что находится внутри. Не просто отколоть протоны, а полностью раскрыть внутренности атома.
Инструменты в распоряжении Резерфорда были те же, что и всегда: источник альфа-частиц, мишень и сцинтилляционный детектор. Частицы испускались из источника радия или полония, запечатанного в металлическую трубку с прорезью на конце, образуя своего рода пушку с «пулями» – альфа-частицами. Хотя такая конструкция обеспечивала контроль над направлением частиц, все же большая их часть врезалась в стенки трубки и терялись, так что работать приходилось лишь с малым количеством.
Трудолюбивые студенты и исследователи Кавендиша тем не менее неустанно продолжали поток экспериментов, надеясь, что ядро выдаст свои секреты. Они осторожно пропускали альфа-частицы через различные газы, помещали их в металлическую фольгу и пластины и бомбардировали ими практически все, что попадало под руку, в надежде увидеть реакцию. Несколько легких элементов дали тот же результат, что и азот, – выброс нескольких протонов. Но более тяжелые элементы не давали вовсе никаких результатов. Не было обнаружено ни одного нейтрона, не было открыто ничего удивительного или впечатляющего. Ядро так и оставалось загадкой.
Экспериментаторы Кавендиша застряли с несколькими жалкими альфа-частицами. Не было никакого способа контролировать параметры эксперимента, поскольку альфа-частицы всегда возникали в результате радиоактивного распада источника с одинаковой энергией, и ученые еще не придумали, как производить что-то, кроме альфа-частиц, которые возникали естественным путем. Проблему усугубляло еще и то, что источники альфа-частиц, такие как радий, были слабыми и становились только слабее по мере распада. Некоторые заготовки распадались всего за полчаса. Они уже не подходили в качестве инструментов для исследования ядра атома.
Единственное, что ученые могли контролировать, – это ошибки в своих экспериментах. Чтобы убедиться, что они по максимуму использовали ненадежные частицы, группа придумала сложный метод проведения достоверных наблюдений. Для такого эксперимента требовалось три исследователя: двое садились в темной комнате, чтобы дать глазам привыкнуть, третий человек подготавливал аппаратуру, затем закрывал ставни и шторы, и, когда все было готово, эксперимент начинался. Эти двое исследователей по очереди смотрели в микроскоп, направленный на мерцающий экран, каждый наблюдал примерно по минуте за раз, отмечая любые вспышки на экране. Примерно через час такой работы их глаза уставали, и их сменяла новая команда. Это была трудная, но необходимая работа, эволюция той же техники, которую использовали Марсден и Гейгер много лет назад.
По прибытии все новые студенты в Кавендише обучались подсчету частиц под руководством дотошного старого коллеги Резерфорда – Джеймса Чедвика. Помимо проведения собственных детальных исследований, к которым мы вернемся позже, Чедвик обучал студентов в «детской лаборатории». Когда они были готовы, их отсылали к Резерфорду, который рекомендовал им направление для исследовательского проекта.
Студенты разрабатывали свои эксперименты с нуля. Заполучить материалы для экспериментов из запасов лаборатории было непросто, а это означало, что они должны были быть находчивыми и решительными. Управляющий мастерской по имени Линкольн тщательно охранял ресурсы лаборатории. Он ни за что бы не дал рулон проволоки – скорее отмерил бы несколько кусков, а гайки и болты выдавал поштучно. Легенда гласит, что одному студенту, которому был нужен кусок стальной трубы, вручили пилу и сказали добывать трубу на велосипедной стоянке во дворе. На самом деле эта скупость была продиктована сверху, самим Резерфордом, который предпочел бы произвести на всех впечатление дешевым, но гениальным экспериментом, чем постоянно оправдывать расходы или выпрашивать деньги.
Несмотря на всю изобретательность, тщательные подходы и настойчивость, они по-прежнему ничего не находили. Одно из решений – достать больше радия. Но драгоценный материал был в дефиците, и бережливый Резерфорд отверг эту идею. Команда знала, что у их конкурентов было преимущество хотя бы потому, что у них было гораздо больше радия для работы. Женщины Соединенных Штатов подарили Марии Кюри целый грамм радия в память о ее поездке. С этим граммом ее дочь-физик Ирен и Фредерик Жолио-Кюри усердно работали в Париже. Многочисленные другие лаборатории в Европе тоже пытались продвинуться вперед, но кембриджская команда продолжала поддерживать свои передовые позиции исключительно благодаря тяжелой работе. Так было до 1924 года, пока их статус ведущей лаборатории в мире не оказался под вопросом.
Исследовательская группа в Вене распространила статью, которая уверяла, что расщепить атомы легко. Они проводили точно такие же эксперименты, что и команда в Кавендише, но получили поразительно иные результаты. Моральный дух в Кембридже резко упал. Под руководством Чедвика все считающие частицы студенты были переобучены и повторно протестированы, а затем их количество удвоили, чтобы попытаться воспроизвести результаты венской команды. Но они просто не могли этого сделать. Между двумя группами возникли уважительные, но все же серьезные разногласия, и в конце концов Чедвик отправился в Вену, чтобы докопаться до сути.
В Вене исследователи нанимали женщин для выполнения подсчетов, но, в отличие от исследователей из Кембриджа, им прямо сообщали о том, что ищут, еще до начала эксперимента. И – подумать только! – занимавшиеся подсчетом женщины это находили. Проведя эти же эксперименты без такого вмешательства, венская группа не смогла повторить свои более ранние результаты, и их данные совпали с результатами исследователей из Кембриджа.
Теперь, когда этот эпизод остался позади, Резерфорду и Чедвику пришлось признать истину, которая постепенно становилась очевидной: их зависимость от слабых альфа-источников сдерживала научный прогресс. Они знали, что впереди еще много открытий. Чтобы их добиться, нужно было радикально изменить эксперименты. Нужен был способ производить протоны, альфа-частицы и другие частицы с различной энергией по желанию. Но такого метода еще не существовало. Им самим надо придумать, как это сделать.
Эрнест Уолтон закончил свое обучение, и теперь пришло время заняться собственным исследовательским проектом. Уолтон – сын священника, двадцатичетырехлетний ирландский физик, который недавно приехал в Кембридж для защиты докторской диссертации, чему способствовала та же стипендиальная программа, которая когда-то помогла Резерфорду переехать из Новой Зеландии в Великобританию. Уолтон преуспевал как в математике, так и в физике и получил высшие баллы по обоим предметам в Дублине. Поскольку ему также нравилось создавать что-то новое, экспериментальная физика казалась идеальным вариантом. Набравшись храбрости, он поделился своей идеей с Резерфордом: он хотел попытаться построить машину для ускорения заряженных частиц.
Уолтон и не подозревал, что двумя днями ранее Резерфорд был в Лондоне, выступая с воодушевляющей речью перед Королевским обществом в новой для себя роли президента. Он выступил перед уважаемым собранием и заявил о самой важной и насущной потребности науки в том виде, в каком она существовала в тот год, 1927-й. Резерфорд хотел найти способ создать «большое количество атомов и электронов, индивидуальные уровни энергии которых значительно превосходят уровни энергии альфа– и бета-частиц». Если бы такое можно было сделать, то ток пучка всего в миллиампер мог бы произвести больше частиц, чем 100 кг радия, – поразительное количество! Что ему было нужно, так это способ извлечения элементарных частиц и запуска их с высокой энергией к атому. И это было как раз то, что только что предложил ему Уолтон: ускоритель частиц. Впечатленный мужеством молодого ирландца, Резерфорд согласился и немедленно проводил его вниз – в лабораторию, где он мог бы проводить свои исследования.
Выделенная Уолтону лаборатория представляла собой подвальное помещение с кирпичными стенами и высоким потолком. В лаборатории было три рабочих места, за двумя уже разместились другие исследователи – Томас Аллибоун и Джон Кокрофт. Аллибоун, или просто Боунс, недавно выступил с аналогичным предложением к Резерфорду и уже пытался использовать высоковольтные катушки Теслы для ускорения электронов. Резерфорд, должно быть, счел, что дружеское соревнование пойдет на пользу молодым исследователям.
Джон Кокрофт, который в свои 30 лет был старше остальных, попал в Кавендишскую лабораторию довольно-таки окольным путем. Кокрофт был известен своей способностью доводить дело до конца, и его коллеги регулярно комментировали то, как легко он справлялся с рабочей нагрузкой, чуть ли не в два с половиной раза превышающей стандартную. Он проводил свои собственные исследования, а также помогал с серьезным экспериментом в соседней лаборатории, в которой Пётр Капица пытался создать чрезвычайно мощные магнитные поля. Разрываясь между различными задачами, Кокрофт мелким неразборчивым почерком строчил напоминания в своей маленькой черной записной книжке. Как говорили его коллеги, все, что он там напишет, «будет незамедлительно рассмотрено». Он знал о сложной задаче создания высоковольтного устройства для ускорения частиц, но теперь, после выступления Резерфорда, эта идея прочно засела в его голове и в его записной книжке. Он знал, что есть два серьезных препятствия, которые необходимо преодолеть. Одно – теоретическое, а другое – экспериментальное.
Кокрофт был в уникальном положении для решения как теоретической, так и практической стороны проблемы. Первая мировая война прервала его занятия математикой, и после он стал учеником в компании Metropolitan Vickers, или Metrovick, крупной электротехнической фирме в Манчестере, которая занималась промышленным оборудованием, таким как генераторы, турбины, трансформаторы и электроника. Только после этой подработки инженером Кокрофт стал посещать Кембриджский университет, чтобы уже окончательно закрепить свои знания в математике и физике, одновременно став физиком-экспериментатором и вполне респектабельным теоретиком.
Основная теоретическая проблема, с которой они столкнулись, заключалась в том, как направить альфа-частицы или протоны в атомное ядро, когда эти положительно заряженные «снаряды» будут электрически отталкиваться положительно заряженным атомным ядром. Это отталкивание известно как кулоновский барьер. Кокрофт сначала должен был рассчитать энергию, необходимую альфа-частицам, чтобы преодолеть этот барьер и проникнуть в ядро. Из своей теоретической работы он знал, что эта цифра непосредственно соответствует величине напряжения, необходимого для ускорения альфа-частиц с достаточной энергией. Он произвел подсчет, но результат напугал его до полусмерти: потребуется напряжение где-то в диапазоне 10 млн вольт.
Если вы когда-либо стояли рядом с опорой электропередачи напряжением 300 кВ (киловольт), передающей электроэнергию на большие расстояния, и время от времени слышали хлопки и потрескивание, вы понимаете, что работа с таким высоким напряжением довольно опасна. А в 1927 году это было еще страшнее. Сегодня мы относительно знакомы с электричеством, потому что используем его постоянно, но в тот период оно считалось еще довольно новым явлением, и такое высокое напряжение в лабораторных условиях было попросту неслыханным. Опасность того, что устройство, работающее при напряжении в миллионы вольт в лаборатории, может искрить или поразить электрическим током Кокрофта и Уолтона – или, что более вероятно, Резерфорда, который мог войти без предупреждения, – не казалась чем-то смешным. Более того, все части ускорителя должны выдерживать невероятное напряжение без треска, взрывов или искрения.
В то время как Кокрофт обдумывал эту проблему, физики в Соединенных Штатах уже решительно разбирались с проблемой генерации высокого напряжения. Мерл Тьюв пытался использовать катушку Теслы, как и Аллибоун. Роберт Ван де Грааф работал над ленточной системой передачи заряда с большим металлическим куполом. Примерно в то же время были предприняты и другие попытки – высокие импульсные напряжения, разряды конденсаторов и огромные трансформаторы, – и все это во имя придания пучкам частиц энергии. В Европе некоторые немецкие исследователи даже рисковали своей жизнью, пытаясь в горах обуздать молнии.
Тем временем в Кембридже Уолтон и Аллибоун продолжали свои попытки ускорить частицы. Уолтон также попробовал прототипы небольшого кругового и линейного ускорителя, но ни с тем ни с другим успеха не добился. Однако не успели они придумать, что же делать дальше, как в Кембридж прибыл советский физик-теоретик по имени Георгий Гамов и все изменил.
Незадолго до этого Гамов побывал в Германии, в Гёттингене, где изучал новые идеи квантовой механики для своей диссертации.
Пока все занимались изучением расположения электронов в атомах, Гамов решил попытаться применить идеи квантовой механики к атомному ядру. Читая материал по этой теме, он наткнулся на недавнюю статью Резерфорда, описывающую рассеяние альфа-частиц на урановой «мишени». Резерфорд утверждал, что альфа-частицы рассеиваются согласно его обычным уравнениям, но Гамов в этом сомневался. Он знал, что уран испускает альфа-частицы при радиоактивном распаде с энергией примерно в два раза меньше той, которую Резерфорд использовал для ее бомбардировки.
Хотя Гамов мало что знал о таинственной силе, удерживающей ядро, он понимал, что она должна действовать одинаково независимо от того, входит альфа-частица в ядро или выходит из него. На пути внутрь ядра, как и предполагал Резерфорд, альфа-частица должна преодолеть кулоновский барьер, а затем оказаться запертой в ядре. При радиоактивном распаде альфа-частица должна сначала преодолеть эту удерживающую силу, прежде чем кулоновский барьер ее оттолкнет. Процесс одинаков в обоих случаях, просто обратный. Так как же могло случиться, что альфа-частицы внутри ядра каким-то образом ухитряются просочиться наружу, имея только половину энергии?
Закрыв журнал, Гамов, по его воспоминаниям, «уже знал, что в действительности происходит в таком случае. Это было типичное явление, которое было бы невозможно в классической ньютоновской механике, но фактически ожидалось в новой волновой механике». В волновой квантовой механике, как мы видели в главе 3, каждая частица имеет волновую природу и может свободно распространяться в пространстве. Это означает, что нет ни одного стопроцентно непроницаемого барьера – волны могут просачиваться в области, в которые, классически говоря, они вообще не должны проникать. По словам Гамова, «если волна проходит, даже и с некоторыми трудом, она всегда протащит с собой частицу». Теперь мы называем это квантовым туннелированием. Прочитав статью Резерфорда, Гамов быстро сформулировал простую модель для описания такой вероятности в случае урана и обнаружил, что его теория прекрасно объясняет период радиоактивного полураспада элемента. Он также выяснил, как альфа-частицы покидают ядро при радиоактивном распаде. Он понимал, что напал на след.
Затем Гамов отправился в Институт Нильса Бора, где продолжил расчеты, выясняя, может ли эта идея применяться и в обратном направлении, чтобы помочь при бомбардировке элементов снарядами с искусственным ускорением. Нильс Бор советовал ему отправиться в Кембридж, но, зная некоторую нелюбовь Резерфорда к теоретикам, они планировали немного задобрить ученого. Гамов прибыл в начале 1929 года, вооруженный подарком: двумя нарисованными от руки графиками, относящимися к экспериментам Резерфорда по бомбардировке легких ядер альфа-частицами. На первом графике было показано, что с увеличением энергии альфа-частиц увеличится и количество протонов, откалывающихся от легких элементов – обнадеживающая идея для команды, вынужденной подсчитывать вспышки в темноте. Второй график демонстрировал, что при заданном уровне энергии альфа-частиц от более легких ядер откалывается меньше протонов. Обе теории Гамова прекрасно соответствовали экспериментальным данным. Стратегия сработала, и Гамова приняли в Кавендише.
Согласно воспоминаниям Гамова, он прибыл в Кембридж и показал свою работу Резерфорду, а затем его усадили за расчет энергии, необходимой протонам для попадания в ядра легких элементов. Очень просто аргументируя свои выводы, Гамов сказал, что она должна составлять примерно 1/16 от энергии альфа-частиц. «Так просто? – спросил Резерфорд. – А я думал, что вам нужно исписать горы бумаги проклятыми формулами».
До визита Гамова один из его черновиков уже попал к Джону Кокрофту, проводившему аналогичный расчет. В результате расчетов он получил энергии частиц в электрон-вольтах или эВ (1 эВ – это количество энергии, которое получает частица, пройдя разность потенциалов в 1 вольт). До сих пор ему требовалось, чтобы протоны достигли 1 миллиона электрон-вольт (МэВ), для чего был необходим ускоритель частиц на миллион вольт. Теперь он пришел к выводу, что существует небольшая вероятность того, что протон с энергией менее 1 МэВ сможет проложить свой путь в ядро. На самом деле, требуемая энергия может составлять всего 300 кэВ (килоэлектронвольт). Кокрофт уже понял значение этой идеи: если протоны могут квантово-механически «туннелировать» через кулоновский барьер, то, возможно, попасть в атомное ядро можно с помощью не такого мощного ускорителя частиц, как они думали. До сих пор неясно, кто первый сообщил Резерфорду о такой возможности, Кокрофт или Гамов, но важно то, что они оба пришли к одному и тому же результату, и они оба находились при этом в одной лаборатории.
Резерфорд принял решение. И впервые в его жизни столь значимое решение основывалось исключительно на теоретическом прогнозе, но он знал, что если они не начнут действовать прямо сейчас, то их могут опередить. Он вызвал Кокрофта и прогремел: «Постройте мне ускоритель на миллион электронвольт – мы без проблем расколем ядро лития!»
Теперь, когда Кокрофту требовалась лишь десятая часть напряжения, которое он рассматривал ранее, задумка стала казаться более осуществимой, и он нацелился на 300 тысяч вольт. Это было минимальное напряжение, при котором, согласно его расчетам, может произойти что-то интересное. Но Кокрофт был отчаянно занят организацией экспериментов по созданию мощного магнитного поля в лаборатории по соседству, поэтому и он, и Резерфорд поняли, что ему нужен партнер, который может проводить эксперименты и который интересуется ускорением частиц. Они нашли добровольца в лице Эрнеста Уолтона.
Вместе Кокрофт и Уолтон хотели провести самый большой эксперимент во всем Кавендише. Даже при напряжении в 300 кВ установка была уж очень сложным и дорогим зверем. Ученые признавали, что им придется столкнуться и с другими проблемами, помимо высокого напряжения, чтобы заставить ускоритель частиц работать. Во-первых, им понадобится источник частиц. В случае с электронами все достаточно просто, но создать постоянный поток протонов, альфа-частиц или чего-то еще гораздо сложнее. Затем им нужно послать эти частицы через высокое напряжение, чтобы напитать их энергией. К тому же надо было придумать, как управлять лучом и работой самого устройства с безопасного расстояния, поскольку оно будет испускать излучение. Как только у них появятся высокоэнергетические частицы, их нужно направить в какую-то мишень. И, наконец, когда все это будет сделано, понадобится система детекторов, чтобы видеть, к чему привела реакция.
По крайней мере об одном они не беспокоились: в лаборатории было полно экспертов по подсчету вспышек на экране, и постоянно возникали новые идеи, как обнаружить частицы, в том числе с помощью облачной камеры Вильсона. Но Кокрофт и Уолтон оказались перед трудной задачей, когда дело дошло до создания источника протонов, генерирования высоких напряжений без разрушения устройства и успешного контроля самого эксперимента.
Установка современного оборудования, предназначенного для передачи высокого напряжения, в плохо спроектированной университетской лаборатории пугала многих физиков, но Джон Кокрофт был полон решимости заставить ускоритель работать. Понимая, что они не могут производить все необходимое собственными силами, он обратился к создателям ведущего в мире высоковольтного оборудования – своим бывшим работодателям в Metrovick. Его первой просьбой был источник питания, мотор-генератор, который Кокрофт приобрел за хорошую цену. Затем им понадобился трансформатор, чтобы повысить напряжение до 300 тысяч вольт, но, когда Кокрофт запросил его, возникли трудности. Трансформаторы Metrovick, используемые для высокоэнергетических рентгеновских трубок и электрических испытаний, попросту слишком велики, чтобы пройти через узкий арочный дверной проем Кавендишской лаборатории. Поэтому Кокрофт попросил Metrovick сделать такой трансформатор, который бы смог.
Следующим шагом было преобразование высоковольтного переменного тока от трансформатора в источник постоянного тока. Переменный ток, который обычно поступает от наших розеток, колеблется между положительными и отрицательными значениями примерно 50 раз в секунду, но Кокрофт знал, что это не годится для ускорения частиц, потому что отрицательная часть волны переменного тока будет скорее замедлять, чем ускорять частицы. Ему был нужен постоянный ток для подачи напряжения, которое всегда толкало бы протоны вниз по трубке. А для этого требовалось еще одно устройство — выпрямитель, но не было доступных коммерческих выпрямителей, которые могли бы выдержать 300 тысяч вольт. Кокрофт понимал, что это ограничение надо преодолеть, поскольку в будущем ему понадобится еще более высокое напряжение. Поэтому, пока Metrovick все еще работал над новым трансформатором, Кокрофт и Уолтон приступили к изобретению выпрямителя собственными силами.
Кокрофт по большей части занимался снабжением, пока Уолтон взял на себя основную экспериментальную работу. Одна из проблем, с которой они столкнулись, касалась стеклянных колб, составлющих часть выпрямителя. Уолтон заказывал изготовление колб стеклодуву Феликсу Нидергесассу, а затем подвергал их высокому напряжению с помощью катушки Теслы, что часто приводило к катастрофическим последствиям. Электрические поля концентрируются вокруг любых острых краев, будь то пыль или дефект стекла, а «коронные разряды» вызывают искры у поверхности и пробивают в ней отверстия. Чтобы добиться правильной формы колб, потребовались месяцы проб и ошибок, и в конце концов конструкция стала настолько большой, что уже не умещались в стеклодувной лаборатории Нидергесасса, и колбы пришлось заказывать на специализированном заводе.
Помимо стеклянных колб, требовались специальные провода для анода и катода, источник нагрева для катода, защита от коронного разряда, предотвращающая искрение, и надежные вакуумные насосы. Как и большинство исследователей в Кавендише, они использовали красный сургуч Банка Англии для всех соединений и печатей. Все компоненты должны были быть проверены на способность выдерживать высокое напряжение. Уолтон провозился несколько месяцев. Он должен был работать быстро, но в то же время не мог спешить, поскольку имел дело с опасными высокими напряжениями. Каждый раз, когда где-то требовалась замена, он ломал все восковые печати, заново все чистил, нагревал и снова запечатывал перед повторным тестированием – уходили целые дни на поиск утечек вакуума и их устранение.
Резерфорд иногда заглядывал во время своих обходов, чтобы посмотреть, как идут дела. При виде крупногабаритного оборудования от промышленных поставщиков он в своем типичном стиле жаловался, что все слишком громоздко или слишком дорого, что побудило физиков из Metrovick сказать, что пускай тогда «смотрит на все через другую сторону телескопа, чтобы не казалось таким огромным». К 1930 году компания Metrovick выполнила свое обещание и выпустила новый компактный трансформатор, который мог пройти через дверь Кавендишской лаборатории прямиком в подвал. Но пол лаборатории все равно пришлось укрепить, чтобы удержать такую установку. Компания также поставила новую вакуумную систему, после того как один из их ученых, Билл Берч, изобрел насос на новом типе масла (Apeizon). Кокрофт получил в свои руки несколько прототипов еще до того, как новинка увидела свет.
Несмотря на весь прогресс, ученым еще предстояло создать источник протонов или ускорительную трубку, через которую будут проходить частицы. Для источника протонов они протестировали ряд различных установок и в итоге остановились на сестре электронно-лучевой трубки, называемой анодно-лучевой трубкой. Устройство похоже на электронно-лучевую трубку: длинный стеклянный цилиндр, заполненный газообразным водородом, с большим напряжением, приложенным между анодом (на одном конце) и катодом (теперь в середине трубки). Протоны создаются электрическим полем, разрывающим газообразный водород, и затем подтягиваются к отрицательному катоду, в котором есть отверстие для их прохождения. Наконец, они выходят с другой стороны в направлении, противоположном направлению электронов (катодные лучи), создавая при этом прекрасное флуоресцентное свечение в трубке.
Тонкая трубка была размещена в верхней части установки так, чтобы протоны могли перемещаться вниз к ускоряющей секции, стеклянной вакуумной трубке длиной 1,5 метра. Внутри трубки высокое напряжение подключалось к двум цилиндрическим металлическим электродам с зазором между ними. Эти протоны должны ускориться высоким напряжением, проходя вниз через зазор. Первый в мире ускоритель частиц почти готов.
К маю 1930 года они были готовы к проведению испытаний. В течение недели Кокрофт и Уолтон медленно увеличили напряжение с 50 до 100 тысяч В, а затем – до 280 тысяч В, но появились признаки того, что они достигли предела. Однако появившийся пучок протонов не был удовлетворительным: он был полностью расфокусирован и растянут по кругу диаметром около 4 см. С таким широким лучом ничего не получится. Чтобы это исправить, пришлось бы все собирать заново. Но сначала они решили посмотреть, не произойдет ли в таком варианте чего-нибудь интересного с научной точки зрения. Они предположили, что при такой низкой энергии протоны мало что могут сделать с ядром – возможно, возбудить несколько частиц и испустить гамма-лучи. Поэтому Кокрофт и Уолтон соорудили простой электроскоп и поместили образец лития под луч. Ничего. Бериллий? Крошечный эффект. Свинец? Какой-то небольшой эффект, но, скорее всего, просто что-то не так с самим аппаратом. Прежде чем они смогли продвинуться дальше, трансформатор вышел из строя.
Пришло время подвести итоги. Поскольку трансформатор сломался, нужно было решить, стоит ли его ремонтировать, чтобы восстановить машину на 300 кВ. Учитывая отсутствие результатов, исследователи не были уверены, что стоит. Что, если расчеты, которые они сделали, неверны и 300 кВ не хватит для расщепления ядра? Даже небольшое изменение в числах давало совершенно иные результаты. Тем временем Резерфорд – ныне лорд Резерфорд – все больше теряет терпение из-за отсутствия результатов. Нужно было любой ценой удержать его на своей стороне и доказать, что его инвестиции в их большой эксперимент того стоили. Хотя было бы быстрее перестроить машину на 300 кВ, чем строить новую, более крупную версию, Кокрофт и Уолтон должны были признать, что 300 кВ все равно стали бы только первым шагом. В конце концов, все решило то, что их перевели в новую большую комнату, в которую свет проникал через красивые высокие арочные окна вдоль одной стены, в то время как другая была увешана досками. В такой комнате можно легко разместить более крупную машину. Кокрофт и Уолтон решили, что они обязаны в следующий раз получить результаты, поэтому решили отказаться от машины на 300 кВ и сосредоточить свои усилия на создании новой машины на 800 кВ.
В новой установке, созданной Кокрофтом, к первому выпрямительному каскаду были добавлены схемы удвоения напряжения. С их помощью они могут принимать входное напряжение от 200 до 800 кВ. Кокрофт и Уолтон заменили стеклянные трубки в форме колб для выпрямительной и ускорительной секций более надежными стеклянными цилиндрами, после того как наткнулись на эту идею в работе Чарльза Лауритсена, физика из Калифорнийского технологического института в США. Они также заменили воск для герметизации швов на пластилин, который лучше справлялся с этой задачей и который гораздо проще повторно герметизировать, если что-то нужно отрегулировать. Как и прежде, Уолтон неустанно работал над созданием новой машины, каким-то образом занимаясь одновременно еще и своей докторской диссертацией.
В начале 1932 года, почти через четыре года после начала работы Кокрофта и Уолтона, в Кавендише было сделано новое крупное открытие. Однако оно принадлежало не им, а Джеймсу Чедвику. Он тихо проводил свои эксперименты, когда узнал о результатах от Ирен и Фредерика Жолио-Кюри в Париже, продемонстрировавших, как альфа-частицы, испускаемые полонием, бомбардировали бериллий и предположительно стали источником гамма-излучения невообразимо высокой энергии. Чедвик знал, что их эксперименты правильны: Кюри исключительно тщательны в этом вопросе. Но он не согласился с их интерпретацией. Всего за несколько недель он провел новую серию экспериментов, продемонстрировавших, что бомбардируемый бериллий испускает не гамма-лучи, а нейтральную частицу примерно той же массы, что и протон. После поисков, длившихся почти 12 лет, Чедвик наконец открыл нейтрон.
Резерфорд все больше нервничал из-за чрезвычайно дорогого и трудоемкого проекта по ускорению частиц. Легенда гласит, что, когда Резерфорд отправился проведать экспериментаторов, он зашел в их лабораторию, повесил мокрое пальто на высоковольтную клемму и тут же получил удар током. Оправившись от шока, он раскурил свою трубку, выпустив облако пепла и дыма, и велел Кокрофту и Уолтону продолжать.
Утром 14 апреля 1932 года Уолтон остался в лаборатории один, закончив прогревать усовершенствованную машину. Кокрофт убежал что-то проверить в другой лаборатории. По настоянию Резерфорда они установили его любимый детектор, экран из сульфида цинка, вместо электроскопа. Уолтон поместил литиевую мишень на дно ускорительной трубки и стабилизировал машину напряжением около 250 тысяч В. Затем он отрегулировал настройки, чтобы включить протонный луч. Любопытствуя, происходит ли вообще что-нибудь, Уолтон прополз от пульта управления к ускорителю, избегая высоковольтных компонентов, и забрался в обшитый свинцом ящик, который они построили для наблюдений. Он натянул черную ткань, чтобы отгородиться от дневного света, настроил микроскоп и заглянул в него.
Яркие вспышки появлялись по всему экрану. Уолтон недолго пробыл в «детской лаборатории», но сразу догадался, что видит: альфа-частицы. Так много, что не сосчитать. Он выключил луч – частицы ушли. Снова включил – они появились. Уолтон едва мог поверить, что это взаправду. Он позвал Кокрофта, который быстро повторил тесты. Вместе они позвали Резерфорда, усадили его в ящик для наблюдений – высокому Резерфорду пришлось подтянуть колени к ушам – и показали, что они нашли. Конечно же, это были альфа – частицы – и, поскольку Резерфорд их и открыл, он знает наверняка! Позже Чедвик согласился. Они понимали, что произошло, им даже не нужно было что-то обсуждать: протоны попадали в ядро лития с атомным номером 7, и ядро расщеплялось на две альфа-частицы. Они, впервые в истории, искусственно вызвали радиоактивный распад. Более того, они справились с помощью протонов примерно при 250 кэВ, что намного ниже 1 МэВ или 10 МэВ, которые они ожидали. Квантовая теория Гамова была верна.
Они поклялись друг другу хранить тайну до тех пор, пока Кокрофт и Уолтон не проведут необходимые проверки и не напишут короткую статью для отправки в журнал Nature. Пока они этим занимались, в течение недели весной 1932 года только четыре человека в мире знали, что атом можно расщепить. Они продолжали эксперименты в бешеном темпе, помещая стопки тонкой фольги на пути альфа-частиц, чтобы убедиться, что они выходят из ядра с огромной скоростью. Каждая альфа-частица проносилась с энергией 8 МэВ, что на первый взгляд кажется невозможным, учитывая, что протоны проходили всего с несколькими сотнями кэВ, но это измерение укрепило их уверенность в том, что они все правильно понимают. Масса объединенного протона и лития перед реакцией была лишь немного выше, чем масса двух альфа-частиц после реакции. Взяв эту разницу в массе и преобразовав ее в энергию, используя уже известное уравнение Эйнштейна E = mc2, они убедились, что их расчеты почти точно составляли энергию в 8 Мэ В.
Резерфорд пригласил Кокрофта и Уолтона на заседание Королевского общества в четверг, 28 апреля. Толпа собралась, чтобы отпраздновать открытие нейтронов Чедвиком, и Резерфорд упомянул об этом великом достижении в своей вступительной речи. Он остался на трибуне. После драматической паузы он объявил, что двое молодых людей, присутствующих в аудитории, Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, искусственно ускорили частицы и успешно расщепили ядро лития и ряда других легких элементов. Стоило ему только указать на двух молодых людей в зале, как зрители разразились аплодисментами.
Через несколько дней газеты объявили о «величайшем научном открытии». Новость быстро распространилась по всему миру, а такие газеты, как The New York Times, пестрели заголовками вроде «Атом раскрывает свои секреты». Кокрофт и Уолтон быстро приспособились к новой жизни, позируя перед камерами с Резерфордом или со своим оборудованием, но слегка смущались, когда у дверей лаборатории их поджидал внезапный поток журналистов.
Их конкурентам оставалось только себя ущипнуть. Если бы они знали, что можно расщепить атом лития всего при 125 тысяч В, они первыми сделали бы это открытие. Даже Кокрофт и Уолтон могли бы добиться успеха двумя годами ранее, если бы использовали в эксперименте экран из сульфида цинка – чтобы они могли легко видеть каждую вспышку альфа – частицы – вместо электроскопа. С экраном оказалось работать гораздо проще, чем с более абстрактными движениями листьев в электроскопе. Кокрофт и Уолтон не могли поверить, что низкого напряжения их первого ускорителя было бы достаточно. К концу 1932 года другие лаборатории по всему миру спешно работали над преобразованием любых устройств с достаточным напряжением в режим разрушения атомов. Родилась совершенно новая область ядерной физики.
Резерфорд и его команда сделали два новаторских открытия почти одновременно. Существование нейтрона было окончательно подтверждено, но гораздо более захватывающей была возможность искусственного расщепления ядра атома. Резерфорд достиг своей цели – понять, что находится внутри ядра: протоны и нейтроны. Эксперимент также подтвердил важность квантовой механики в ядре и то, что E = mc2 Эйнштейна применимо и при расщеплении атомов. Они снова уверенно лидировали в гонке за понимание ядра атома, и теперь Резерфорд и его команда получили возможность по желанию разбивать ядра на части, чтобы изучать их дальше. Теперь не надо полагаться на космические лучи, ученые сами контролируют свои эксперименты, изменяя тип ускоряемых частиц, их количество и энергию, чтобы изучить воздействие на любой образец, который они хотят подвергнуть бомбардировке. Они могли включать и выключать их, когда им заблагорассудится. Атом теперь в их власти.
С появлением возможности искусственного ускорения частиц спрос со стороны исследователей на ускорители быстро возрос. Компании быстро освоили новую технологию, часто для использования в своих собственных исследовательских лабораториях. В Нидерландах компания Philips производила выпрямители и целые генераторы Кокрофта – Уолтона и даже позже продала один из них в Кавендиш, когда они расширили свою высоковольтную лабораторию в середине 1930-х годов. Их конкуренты в Соединенных Штатах, включая Ван де Граафа, тоже добились коммерческого успеха благодаря своим высоковольтным ускорителям. Вскоре после знаменательного открытия компания Westinghouse начала создавать высоковольтные машины, используя метод Ван де Граафа, и к 1937 году построила ускоритель на 5 МэВ, ставший известным как «Разрушитель атомов» (англ. Westinghouse Atom Smasher). К середине 1950-х годов любой уважающий себя физический факультет или лаборатория должны были иметь ускоритель частиц. Сегодня несколько компаний все еще производят машины такого типа, и вы найдете их продукцию в научно-исследовательских институтах и лабораториях по всему миру.
Если вы когда-нибудь видели одно из этих устройств, вы никогда его не забудете. На севере Англии находится Институт Кокрофта, который сегодня специализируется на проектировании и создании новых ускорителей частиц. В огромном ярко освещенном атриуме института посетители застывают на месте при виде громоздкого металлического устройства.
Четыре темно-коричневых ребристых керамических изолятора тянутся вверх, окруженные металлическими кольцами в форме пончика, а между ними зигзагом проходят красноватые медные трубки. Вся конструкция тянется к потолку, где оканчивается огромным луковицеобразным металлическим терминалом. Именно этот генератор Кокрофта – Уолтона ранее обеспечивал протонами большую ускорительную установку в лаборатории Резерфорда – Эплтона, к югу от Оксфорда. Хотя этот генератор производит отличное первое впечатление, на самом деле он не так уж и стар: он надежно служил с 1984 по 2005 год, когда был окончательно выведен из эксплуатации и заменен более современными технологиями.
… Вернемся к скрипке Беннетта. Физик-ядерщик Гарри Гоув использовал ускоритель не Кокрофта – Уолтона, а Ван де Граафа в своей лаборатории в Рочестерском университете, когда Чарльз Беннетт в 1977 году попросил его определить возраст скрипки. Это казалось невозможным, по крайней мере до тех пор, пока не возникла идея использовать ускоритель для обнаружения очень малых следов углерода-14. Для своего первого эксперимента они купили в местном магазине несколько мешков древесного угля для барбекю, чтобы увидеть углерод текущего времени (из недавно срубленных деревьев). Они вставили его в ионный источник, начальную точку ускорителя, который испаряет образцы и высоким напряжением удаляет электроны, создавая пучок заряженных ионов, которые затем ускоряются. Для сравнения, они также нашли образец графита, добытого из нефтяных месторождений, которым миллионы лет и в которых углерода-14 уже совсем ничтожное количество. 18 мая 1977 года они проанализировали два образца и обнаружили, что в древесном угле более чем в 1000 раз больше углерода-14 по сравнению с графитом. Как вспоминает Гоув, «это был один из тех мгновенно узнаваемых триумфов, которые слишком редко случаются в науке».
Вместо того чтобы просто ждать, пока радиоактивный распад углерода-14 произойдет самопроизвольно, Гоув и Беннетт взяли крошечный образец и с помощью ускорителя частиц ускорили все отдельные атомы и изотопы. После достижения высокой скорости частицы изгибались под действием магнита, и, поскольку углерод-14 изгибается немного меньше, чем углерод-12, из-за большей массы, относительные количества можно просто подсчитать с помощью детектора. Ускоритель частиц обеспечивал исключительный контроль и точность, позволяя ученым обойти естественные ограничения радиоуглеродного датирования. Быстро стало ясно, что потенциальные области применения новой методики огромны.
Мейер Рубин, геохимик, возглавлявший отдел углеродного датирования в Геологической службе США, увидел статью и тут же связался с Гоувом и его командой. По словам Рубина, у него были груды небольших геологических образцов, которые слишком малы для традиционного метода углеродного датирования. Несколько недель спустя он прибыл в Рочестер, чтобы вместе с командой Гоува и Беннетта попробовать проанализировать миллиграммовые образцы новым методом.
Рубин был в восторге от возможностей измерения небольших образцов, особенно в геологии, климатологии, океанографии и дендрохронологии (изучение колец деревьев). Вместе команда сделала ряд прорывов, используя новую технику: они проверили свой метод, датируя органические образцы возрастом 48 000 лет, обнаружив, что они согласны с более ранним анализом Рубина, в котором использовались гораздо более крупные образцы. Сотрудничая со многими исследователями, группа Рочестера успешно датировала антарктические метеориты, лед, шерстистого мамонта и даже древние образцы воздуха, содержащие не миллиграммы, а всего лишь микрограммы углерода-14. В 1978 году Рубин принес кусок ткани с египетской мумии, возраст которой оценивался примерно в 2050 лет, и эксперимент подтвердил результат. Затем исследователи получили интересную, но противоречивую просьбу.
Примерно в 1979 году с командой связалось Британское общество по изучению Туринской плащаницы – с идеей датировать артефакт, в котором якобы был похоронен Иисус. Потребовалось 10 лет, чтобы воплотить в жизнь эту идею, которая в итоге привела к знаменитому расследованию 1987 года. Небольшие образцы были отправлены в ряд лабораторий по всему миру, которые специально приспособили или установили ускорители частиц для этой цели, включая Рочестер и центр радиоуглеродного датирования в Оксфорде. Гоув и Рубин с 95 % вероятностью установили, что артефакт был создан в Средние века (1260–1390 гг.н. э.), а не 2000 лет назад. В других лабораториях результаты были те же. Но, несмотря на доказательства, Туринская плащаница по-прежнему почитается.
Новый метод, изобретение которого (частично) приписывают Гоуву, называется ускорительной масс-спектрометрией, или УМС. Сегодня лаборатории, использующие специальные ускорители частиц в этих целях, можно найти не только в Соединенных Штатах, но и в Турции, Румынии, Австралии, Японии, России и Китае, и это лишь некоторые из них. Многие страны, где установлены эти ускорители, хотят лучше понять свою богатую географическую и культурную историю, а УМС предоставляет возможность собрать воедино истории редких и ценных предметов, не разрушая их. Как и в случае со скрипкой Беннетта, образцы, необходимые для УМС, по меньшей мере в 1000 раз меньше, чем при традиционном радиоуглеродном датировании. В большинстве случаев другого точного метода установления хронологии не существует. С тех пор технология ускорителей открыла новые возможности для изучения истории, геологии, археологии и многих других областей.
Беннетт, похоже, так и не узнал, была ли его скрипка создана Страдивари или нет. По крайней мере, он никогда не подтверждал достоверность этого маловероятного утверждения, поскольку больше об этом не упоминалось. Но к тому времени, возможно, он совсем забыл о скрипке, захваченный высшим научным азартом изобретения самого точного метода датирования исторических артефактов, о котором мы знаем.
Сегодня большинство людей по-прежнему считают, что ускорители частиц и создаваемые ими лучи используются только физиками и никак не связаны с нашей пищей, водой, предметами домашнего обихода или нашим собственным телом. Тем не менее, начиная с чипов в телефонах и компьютерах и заканчивая шинами на автомобилях и термопленкой на продуктах питания, мы каждый день окружены объектами, которые были усилены или иным образом улучшены с помощью пучков частиц. Часто эти методы облучения или модификации с помощью частиц выбираются потому, что они быстрее, экологичнее и эффективнее, чем альтернатива, например химикаты или ручная обработка. Это немалый рынок: по статистике, только в Соединенных Штатах ежегодно с помощью пучков частиц создается или модифицируется продукция на сумму около 500 млрд долл. Многие из используемых машин представляют собой электростатические ускорители, потомки того, который Кокрофт и Уолтон использовали для расщепления атома в начале 1930-х годов.
Одно из масштабных применений ускорителей – полупроводниковая промышленность. Мощные компьютерные чипы в наших смартфонах и ноутбуках основаны на электронных компонентах, изготовленных из полупроводников, формирующих 1 и 0, на которых основана вся компьютерная логика. Чтобы превратить такой полупроводник, как кремний, в полезное устройство, его необходимо слегка загрязнить, добавив легирующие примеси: крошечные количества других элементов, таких как бор, фосфор или галлий. Именно эти легирующие добавки дают точный контроль над электрическими свойствами полупроводника, но их очень сложно добавить химическим путем. Единственный точный способ сделать это – контролировать отдельные ионы и вводить их с помощью ускорителя частиц. Это процесс, называемый ионной имплантацией. Без ускорителей частиц у нас не было бы современной полупроводниковой электроники, которая сейчас встроена в цифровые фотоаппараты, стиральные машины, телевизоры, автомобили, поезда и даже рисоварки.
С помощью пучков частиц можно модифицировать не только полупроводники – их используют даже ювелиры. У алмазной компании DeBeers есть ускорители, производящие ионные пучки, которые используются для бомбардировки необработанных драгоценных камней. Так можно изменить цвет бриллианта или, например, превратить бирюзу из темно-розовой в прозрачно-голубую.
Между тем всего в 15 метрах под знаменитой стеклянной пирамидой в парижском Лувре находится ускоритель частиц, полностью посвященный искусству. Установка называется AGLAE – ускоритель элементного анализа Лувра, – инсталляция длиной 37 метров, которая используется для бомбардировки артефактов из музея, чтобы выяснить, из каких элементов они сделаны. Под руководством директора лаборатории доктора Клэр Пачеко команда с помощью ускорителя занимается анализом ионных пучков.
Один из регулярно используемых методов – спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния. Исследователи подсчитывают ионы, отскакивающие от мишени, в поисках того же результата, который ученые из Кавендиша получили в эксперименте с золотой фольгой, чтобы показать, что у атома есть ядро. Теперь, в контролируемых условиях ускорителя, можно использовать всю мощь этой идеи. Исследуемое произведение искусства помещается на линию пучка частиц, и детектор улавливает ионы, которые рассеиваются в обратном направлении. Для каждого положения детектора различные атомные ядра отражают разное количество ионов, и ускоритель изменяет энергию ионного пучка, чтобы получить характеристическую кривую зависимости энергии от количества ионов. Потом остается только сравнить кривые с кривыми известных материалов, чтобы определить, какие атомы находятся в образце и их относительное количество. Этот метод использовался, например, для подтверждения того, что ножны, принадлежавшие Наполеону, действительно изготовлены из чистого золота. С помощью этого и других методов команда доктора Пачеко может идентифицировать даже малейшие следы элементов периодической таблицы Менделеева, от лития до урана, чтобы раскрыть секреты и происхождение произведений искусства и исторических артефактов без нанесения им какого-либо ущерба. Если вы когда-нибудь задавались вопросом, как историки искусства однозначно определяют подлинность того или иного произведения, то вот один из способов.
Те же методы используются для установления точного состава стекла бутылок старинного вина и сравнения их с известными подлинными бутылками. Винное мошенничество – большая проблема в винодельческой промышленности. Так, однажды коллекционер потратил 500 тысяч долл. на четыре бутылки вина, которые, как утверждалось, принадлежали бывшему президенту США Томасу Джефферсону. Путем ионного анализа выяснилось, что бутылки поддельные, и довольно быстро против виноторговца был возбужден судебный процесс.
Схожая идея также начинает применяться в криминалистике. Большинство методов по сбору следов наркотиков, таких как кокаин, или следов выстрелов уничтожают сами образцы. Но ученые, в том числе доктор Мелани Бейли из Университета Суррея, Великобритания, в настоящее время используют анализ ионных пучков для изучения улик, найденных на месте преступления. Не уничтожая улики, доктор Бейли может проверить элементный состав образца и обнаружить крошечные количества наркотиков или следы, которые были упущены другими. Она даже может сравнить свои результаты с материалами, найденными на одежде или теле подозреваемых: например, крошечные образцы почвы, взятые с обуви, могут указать на подозреваемого.
Для физиков 1932 года все эти технологии были далеким будущим. Кокрофт и Уолтон работали с ускорителем в течение нескольких лет, но вскоре инициатива перешла к новым исследователям. Джон Кокрофт взял на себя управление другими подразделениями лаборатории, а позже работал над использованием ядерной энергии в энергоснабжении. Эрнест Уолтон получил академическую должность в своей родной Ирландии – в Тринити-колледже в Дублине. Этот напряженный период в их карьере, который принес им Нобелевскую премию в 1951 году, больше не повторялся.
Их успех, пришедшийся на тот же год, когда был открыт позитрон, осуществил мечту Резерфорда – открытие того, что находится внутри ядра. Все части головоломки теперь сошлись воедино: ядро атома содержит как протоны, так и нейтроны, обычно в примерно равных количествах. Изотопы различаются по массе, потому что у них разное количество нейтронов, в то время как количество протонов остается неизменным. Некоторые конфигурации более стабильны, чем другие, при этом нестабильные радиоактивны. Теперь задача Резерфорда состояла в том, чтобы понять силы, которые каким-то образом удерживают ядро вместе. Как присутствие нейтронов мешает положительным протонам разрушить ядро? Возникла идея новой, ядерной силы, удерживающей их вместе.
В то время как изобретение Кокрофта и Уолтона все еще использовалось как в научных, так и в промышленных целях, стало ясно, что ускорители частиц, использующие огромные напряжения, скоро достигнут своего предела. Требовалась новая технология. Резерфорд и его коллеги и не подозревали, что именно эта технология, уже разработанная в Соединенных Штатах, почти опередила их в достижении всемирно известного результата.
