Излучение Вавилова - Черенкова.
Эффект Мессбауэра

    В ХХ веке в ядерной физике были сделаны открытия, которые позволили не только по-новому. осмыслить физические процессы, происходящие в микромире, но и заложить основу для создания уникальных методов детектирования частиц, проведения экспериментов в смежных областях физики.
    В 1934 году в лаборатории С. Вавилова П. Черенков открыл излучение, названное излучением Вавилова-Черенкова. Это излучение возникает при равномерном и прямолинейном движении частицы в веществе, когда ее скорость больше фазовой скорости света в данной среде (v > c/n). В 1937 году это явление было теоретически объяснено И. Таммом и И. Франком. Излучение Черенкова широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей. Практически все современные детекторы частиц высоких энергий используют черенковские счетчики.
    В 1958 году Мессбауэром было открыт эффект, который состоит в том, что испускание или поглощение -квантов атомными ядрами в твердом теле может происходить без возбуждения колебательных степеней свободы твердого тела, то есть возможны переходы без отдачи ядра, когда импульс фотона принимает не отдельное ядро, а кристалл в целом. Эффект Мессбауэра используется в многочисленных приложениях. Благодаря эффекту Мессбауэра стало возможным измерение спектров резонансного испускания или поглощения γ-квантов с разрешением ΔE/E ≈ 10^-16, исследование физических и химических свойств конденсированных сред, исследования взаимодействия электрических и магнитных моментов ядер с внутренними электрическими и магнитными полями, вызывающими расщепление ядерных уровней и ряд других экспериментов, требующих рекордно высокого энергетического разрешения, и, в частности, стало возможно измерение гравитационного красного смещения в лабораторных условиях.

Детекторы. Ускорители

    Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности, открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света. Черенковское излучение впервые наблюдалось визуально. Первая пузырьковая камера, в которой Глезер наблюдал треки α-частиц была с наперсток. Источником частиц высоких энергий в то время были космические лучи - частицы, образующиеся в мировом пространстве. В космических лучах впервые наблюдались новые элементарные частицы. 1932 год - открыт позитрон (К. Андерсон), 1937 год - открыт мюон (К. Андерсон, С. Недермейер), 1947 год - открыт -мезон (Пауэл), 1947 год - обнаружены странные частицы (Дж. Рочестер, К. Батлер).
    Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.
    Создание первых ускорителей Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном, Р. Ван-де-Графом, Э. Лоуренсом в 1931-32 гг. открыло новую эру в ядерной физике. Экспериментаторы получили в свое распоряжение удобные инструменты, на которых можно было получать пучки ускоренных заряженных частиц с энергией от нескольких МэВ до десятков МэВ.
    В 1944-45 годах В. Векслер и независимо от него Э. Макмиллан открыли принцип автофазировки, позволяющий достигать релятивистских энергий ускоренных частиц. Открытие принципа автофазировки привело к появлению новых типов ускорителей - фазотронов, синхротронов, синхрофазотронов. Разработка метода сильной фокусировки позволила получать уникальные по своим параметрам пучки (с малыми поперечными размерами, высокой интенсивностью, большими энергиями).
    Первые ускорители высоких энергий были построены в Дубне (ОИЯИ), вблизи Женевы (CERN) и Брукхейвене (BNL). В первых ускорителях пучок частиц направлялся на неподвижную мишень. Однако по мере увеличения энергии налетающих частиц все большая часть энергии пучка бесполезно расходуется на движение центра масс образующейся системы. Если же сталкиваются между собой два пучка можно получить значительный выигрыш в энергии, так как при лобовом столкновении двух пучков частиц с одинаковыми массами и одинаковыми энергиями центр масс будет оставаться неподвижным. Однако, чтобы при этом сталкивающиеся пучки эффективно взаимодействовали, необходимо создать в области столкновения высокую плотность частиц. Ускорители такого типа были созданы и получили название ускорителей на встречных пучках или коллайдеров. Первые электронные коллайдеры были построены в 1965 году в ИЯФ (Новосибирск) и Стенфордской национальной лаборатории. В 1971 году был построен первый протонный коллайдер, а в 1985 году - протон-антипротонный коллайдер (см. табл. 4).
    Современные ускорители это комплексы, состоящие из нескольких ускорителей. На рис. 24 показан ускорительный комплекс CERN, в котором планируется сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ в системе центра масс. Он носит название LHC (Large Hadron Collider).

Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в протонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в LHC, где в настоящее время ускоряются встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP. Пучки LEP и LHC расположены в одном туннеле, в различных магнитных системах. Инжектором электронов и позитронов является линейный ускоритель е⁺e⁻linacs.

Таблица 4

    Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе, пролетая в нем. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Незаряженные частицы (γ-кванты, нейтроны, нейтрино) детектируются по вторичным заряженным частицам, возникающим в результате их взаимодействия с веществом детектора. Быстрораспадающиеся частицы регистрируются по их продуктам распада. Большое применение нашли детекторы, позволяющие непосредственно наблюдать траектории частиц. Так с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле были открыты позитрон, мюон и π-мезоны, с помощью пузырьковой камеры - многие странные частицы, с помощью искровой камеры регистрировались нейтринные события и т.д. Современные измерительные установки в физике высоких энергий представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать десятки частиц, рождающихся в одном столкновении. В качестве примера приведем установку ATLAS, которая предназначена для работы на LHC (рис.25).

    Основная задача установки ATLAS - поиск Хиггсовских бозонов. Область соударения пучков окружена внутренним детектором. Он помещен в соленоид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле. Задача детектора определить точки соударения протонов и траектории вторичных частиц, которые образуются в результате соударения. Для этого применяются кремниевые детекторы (их в установке 12 тысяч) и детектор переходного излучения, состоящий из 440 тысяч дрейфовых трубок. Кремниевые детекторы обеспечивают измерение траектории частиц по 6-ти точкам с точностью 22 мкм, дрейфовые трубки - по 36-ти точкам с точностью 150 мкм. Внутренний детектор заключен в оболочку калориметров. Они обеспечивают прецизионное измерение энергий электронов, фотонов, "струй" адронов, возникающих при адронизации кварков, и "недостающей" энергии, уносимой нейтрино или другими слабовзаимодействующими частицами, например суперсимметричными партнерами. За калориметрами, в которых поглощаются все электроны, фотоны и адроны расположены мюонные детекторы. Мюоны имеют высокую проникающую способность и слабо поглощаются в калориметрах. Поэтому практически все зарегистрированные мюонной системой заряженные частицы являются мюонами. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы), анализируются совместно с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц. Электронная система установки способна выделять 100 "интересных" событий в секунду из 1 миллиарда. В проекте ATLAS более полутора тысяч участников из 47 стран.

См. также

• Л.Н. Смирнова. Физика элементарных частиц (с точки зрения эксперимента)
• Л.Н.Смирнова. ДЕТЕКТОР ATLAS Большого адронного коллайдера
• Л.Н.Смирнова. Эксперимент ATLAS Большого адронного коллайдера

Заключение

    В самом конце XIX столетия, занимаясь довольно хорошо известным в то время процессом люминесценции, Беккерель неожиданно наткнулся на совершенно новое явление - радиоактивность. Природа преподнесла исследователю подарок - позволила заглянуть в новый, неизведанный мир субатомной физики. Перед исследователями, которые работали в этой области в XX веке, открылся совершенно иной мир, со своими закономерностями, так не похожий на привычный мир, описываемый классической физикой. Оказалось, что установленные новые законы работают не только на очень малых расстояниях, но и определяют физические явления, происходящие в колоссальных масштабах Вселенной. XX век принес много неожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, что готовит нам век XXI.
    В кратком обзоре трудно упомянуть всех, кто оказал решающее влияние на развитие физики ядра и частиц. Для того, чтобы частично восполнить этот недостаток, в приложении приведены
список лауреатов Нобелевской премии по физики и частично по химии, а также
список открытий, внесенных в Государственный реестр открытий СССР.