Ультрахолодный блицкриг
О существовании незаряженной частицы с массой примерно равной массе протона догадался ещё Э. Резерфорд в начале 20-х годов. Эта гипотеза простым и естественным образом объясняла существование изотопов. Резерфорд представлял нейтрон как связанное состояние протона и электрона; не имея заряда, эта частица могла бы свободно проходить через вещество. В 1930–32 годах излучение с высокой проникающей способностью действительно было обнаружено, причём, несколькими экспериментаторами, и только Дж. Чадвик, ученик Э. Резерфорда, понял, что это те самые частицы, о которых говорил Резерфорд.
В то время ядерная физика развивалась стремительно. Уже два года спустя выяснилось, что в отличие от быстрых нейтронов медленные (в другой терминологии — тепловые) нейтроны активно поглощаются атомными ядрами. За открытие этого эффекта Э. Ферми в декабре 1938 года получил Нобелевскую премию, и в том же декабре немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассманн открыли деление ядер урана под действием медленных нейтронов. Дверь в ядерный век была открыта.
Пропустим 20 лет и шагнём сразу в 1959 год, когда нейтроны в очередной раз открылись новой своей стороной. Я. Б. Зельдович, один из локомотивов Атомного проекта, посылает статью в ЖЭТФ, в которой на языке математики доказывает, что очень медленные (ультрахолодные) нейтроны способны многократно отражаться от стенок, и их можно хранить в ограниченном объёме. Статью вежливо прочитали. Это на бумаге, а как на опыте? Никто не бросился проверять. Отражаются — ну и что? Можно хранить, но зачем?
Всё изменилось в августе 1964-го. Место действия — Дубна, международная конференция по физике высоких энергий, доклад будущих нобелевских лауреатов В. Фитча и Дж. Кронина. Речь шла о ка-мезонах. В середине 50-х эти частицы разбили представления о пространственной и зарядовой симметриях. Оказалось, что ка-мезоны различают правый и левый поворот и чувствительны к изменению заряда на противоположный. Физикам удалось поправить скособоченный мир с помощью комбинированной симметрии, и вот теперь оказалось, что ка-мезоны нарушают и её. А это в свою очередь означает нарушение симметрии времени. Мы привыкли к тому, что есть необратимые процессы, есть второе начало термодинамики, и время не течёт вспять, но в механике все процессы обратимы, и будущее не отличается от прошлого. Эксперименты американских физиков показали, что для ка-мезонов это не так. Это был шок. Что может означать анизотропия времени? Великая загадка XX века. В чём ещё, кроме поведения ка-мезонов, она проявляется?
Как следует из теории, одним из проявлений нарушения комбинированной симметрии является ненулевой электрический дипольный момент (ЭДМ) какой-либо из элементарных частиц. Ф. Л. Шапиро решил померить ЭДМ нейтрона. Давайте посмотрим, как этот человек шаг за шагом шёл к намеченной цели.
Для начала надо было замедлить нейтроны до скорости пешехода, что соответствует тысячной доли градуса по абсолютной шкале (отсюда ультрахолодные). Тогда сработает предсказание Я. Б. Зельдовича, и пока нейтроны будут отражаться от стенок, у экспериментатора есть в запасе 14 минут (среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии) для измерений. Самый подходящий источник нейтронов — это достаточно мощный реактор. Поездив по стране, Ф. Л. Шапиро понял, что никому это неинтересно, и решил делать всё на родном ИБР-1, средняя мощность которого составляла нескольких киловатт. Теперь требовались соавторы, конкретнее — золотые руки. А. В. Стрелков хорошо помнит, как Фёдор Львович выловил его в коридоре, пригласил в кабинет и начал призывать к энтузиазму. В результате второго призыва авторский коллектив пополнился опытным физиком и скромным человеком В. И. Лущиковым. Четвёртым участником эксперимента стал аспирант Института химической физики Ю. Н. Покотиловский. Плюс три механика, которых уговорили повременить с отпусками.
Оставалось последнее препятствие. Наступило лето, а в конце июля планировалась остановка реактора. Это был давно решённый вопрос, реактор нуждался в модернизации. Фёдор Львович попросил отложить остановку реактора на две недели. Главный инженер глухо возражал, Илья Михайлович как директор выступил категорически против: «Через год закончится реконструкция, тогда и вернётесь к этой проблеме. Блицкригов в науке не бывает».
Оказалось, бывает. Шапиро настоял, и реактор включили в опасном режиме редких вспышек. Всё было сделано за две недели. В конце июля начался эксперимент, а в начале августа из общего спектра были выделены и зарегистрированы ультрахолодные нейтроны. Время жизни нейтронов «в заточении» оказалась существенно меньше, чем на свободе, но эффект многократного отражения от стенок был налицо. Тут же, по горячим следам, послали статью в журнал. И, как оказалось, вовремя: вслед за дубненской публикацией, каких-то полтора месяца спустя пришло сообщение из Германии о том, что там получили такой же результат. Но приоритет остался за Дубной. Фёдора Львовича избрали в Академию наук, а Илье Михайловичу подарили запаянную консервную банку из-под зелёного горошка с этикеткой: «Ультрахолодные нейтроны. Срок хранения 14 минут».
После Ф. Л. Шапиро его ученики продолжали заниматься ультрахолодными нейтронами. В 1976 году В. И. Лущиков нашёл им новое, неожиданное применение. На конференции в США он предложил эксперимент, наглядно демонстрирующий энергетические уровни нейтрона в гравитационном поле Земли. Когда он закончил своё выступление, к нему подошёл Ю. Вигнер, сподвижник и коллега Э. Ферми, и предложил срочно опубликовать сообщение в «Physical today». В 1999 году в Гренобле этот красивый эксперимент поставил В. В. Несвижевский, ученик учеников Ф. Л. Шапиро.
Исследования с ультрахолодными нейтронами продолжаются и по сей день. Техника эксперимента достигла невероятного: кинетическая энергия ультрахолодных нейтронов столь мала, что её едва хватает подняться в поле тяготения Земли на толщину человеческого волоса. Нейтроны ползают по дну кастрюли практически в двух измерениях! А вот цель, ради которой занялись ультрахолодными нейтронами, так и не достигнута. ЭДМ нейтрона пока не обнаружен. Ищите, говорили теоретики, должен быть. И экспериментаторы искали, из года в год повышая точность измерений, боролись за каждый порядок. Наконец погрешность измерений стала ниже предсказанной для ЭДМ величины. В пределах погрешности получили ноль. Теоретики подумали — и накинули ещё шесть порядков. И предсказанная величина ЭДМ уменьшилась в миллион раз. Во столько же раз нужно повысить точность измерений. А это ещё одна жизнь. И ещё один сюжет из жизни экспериментаторов, поведанный ведущим научным сотрудником Лаборатории нейтронной физики А. В. Стрелковым.
Свидетельство о публикации №214072801811
Хорошо бы, уважаемый автор, добавить такое пояснение, в двух словах, в статью.
Всеволод Шипунский 02.03.2015 14:59 Заявить о нарушении
Александр Расторгуев 02.03.2015 15:26 Заявить о нарушении
А к к-мезону относится...
Всеволод Шипунский 02.03.2015 15:56 Заявить о нарушении
Из "Воспоминаний" А. Д. Сахарова:
Уже после войны Власов опубликовал (или пытался опубликовать) работу, в которой термодинамические понятия вводились для систем с малым числом степеней свободы. Многие тогда с огорчением говорили об этой работе как о доказательстве окончательного его упадка как ученого. Но, быть может, Власов был не так уж и не прав. При выполнении определенных условий “расхождения траекторий” система с малым числом степеней свободы может быть эргодической (не поясняя термина, скажу лишь, что отсюда следует возможность термодинамического рассмотрения). Пример, который я знаю из лекций проф. Синая: движение шарика по биллиардному полю, если стенки сделаны вогнутыми внутрь поля.
Александр Расторгуев 02.03.2015 16:08 Заявить о нарушении