Классические эксперименты Лобашёва - Троицкий вариант — Наука (original) (raw)

Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что Владимир Михайлович Лобашёв был в России самым талантливым экспериментатором в области физики частиц. Его основные эксперименты стоят того, чтобы рассказать о них достаточно подробно и по возможности для широкой аудитории. Условно можно выделить три классических осуществленных эксперимента, в каждом из которых содержалась изюминка — яркая запоминающаяся идея. Перечислим эти эксперименты (точнее, серии экспериментов) в хронологическом порядке:

— обнаружение примеси слабых взаимодействий в ядерных реакциях (циркулярная поляризация γ-квантов);

— измерение электрического дипольного момента нейтрона;

— измерение массы нейтрино. На самом деле, экспериментов и идей намного больше; например, стоит упомянуть вращение плоскости линейной поляризации у-квантов, прошедших через намагниченный ферромагнетик (этот результат генетически примыкает к первому из перечисленных экспериментов). Но надо где-то подвести черту, поэтому сосредоточимся на самых известных.

Источник и Маятник

Циркулярная поляризация у-квантов от ядерных реакций

Нам известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: электромагнитные, слабые, сильные и гравитационные (на самом деле первые два — точно, первые три — скорей всего, а возможно, и все четыре — проявления одного и того же взаимодействия, ставшие разными «исторически» — из-за физических свойств нашей Вселенной). Слабое взаимодействие нетривиально тем, что нарушает пространственную четность. Иными словами, физические процессы выглядят по-разному, если смотреть на них прямо и в зеркальном отражении. Процессы, нарушающие пространственную четность, теоретически позволяют объяснить по радио далекому инопланетянину, где право, где лево, при условии, что он умеет ставить эксперименты по слабым взаимодействиям.

Упрощенная схема эксперимента

Слабые взаимодействия в чистом виде происходят, когда они связаны с нейтрино — эта частица не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Именно в таких взаимодействиях нарушение пространственной четности велико — порядка единицы.

Нарушение пространственной четности в слабых взаимодействиях с участием нейтрино было теоретически предсказано (Ли, Янг) и обнаружено в 1950-х годах (мадам Ву), за что была присуждена Нобелевская премия (Ли, Янг, 1957).

Установка по измерению массы покоя электронного антинейтрино, ИЯИ РАН, г. Троицк . Фото С. Задорожного

А есть ли примесь слабого взаимодействия в электромагнитных и сильных процессах, где, например, взаимодействуют друг с другом только протоны и нейтроны? Это вопрос об универсальности слабого взаимодействия. В 60-х годах прошлого века начались поиски примеси слабых взаимодействий в ядерных реакциях, где доминируют сильные, а также участвуют электромагнитные взаимодействия. Изначально понятно, что примесь должна была быть очень маленькой: слабые взаимодействия есть слабые, сильные есть сильные. Как ее поймать? Слабые взаимодействия нарушают пространственную четность, и есть все основания предполагать, что только они,— нельзя ли воспользоваться этим нарушением как индикатором?

Из теоретических соображений было понятно, что лучше всего искать нарушение пространственной четности при излучении у-квантов ядрами. Как оно при этом может выглядеть?

Есть два варианта: первый — взять поляризованные ядра и смотреть, куда летит больше у-квантов — по направлению спина или против него. Либо взять неполяризованные ядра и проверить — не поляризованы ли фотоны (важна циркулярная поляризация, по сути — спин фотона). Вспомнив про далекого инопланетянина, мы смогли бы объяснить ему, что такое правая и левая резьба, на примере таких корреляций направления и спина.

В ИЯИ АН СССР. Слева направо: А.Е. Чудаков, В.М. Лобашёв, Е.П. Велихов, М.А. Марков. Пахра, 1980 г. Фото Ю. Туманова

В первой половине 60-х годов в данном направлении среди физиков уже развернулась конкуренция. В первом методе (куда летят фотоны от поляризованных ядер) лидировали Ю.Г Абов с П.А. Крупчицким из Института теоретической и экспериментальной физики. В 1965 г. они опубликовали результат, где эффект был обнаружен. Во втором методе лидером стал В.М.Лобашёв с командой. Циркулярную поляризацию измерять заметно сложнее, поэтому потребовалась новаторская постановка эксперимента, заслуживающая обстоятельного рассказа.

Эксперимент был поставлен в Гатчинском филиале Ленинградского физико-технического института. Приблизительная схема показана на рисунке. Она начинается с мощного радиоактивного источника, излучающего у-кванты. Для определенности, ниже все числа даны для одного из первых подопытных ядер — тантала. Ядра тантала в источнике появлялись от бета-распада радиоактивного изотопа гафния. При возникновении они оказывались возбужденными, возбуждение снималось излучением у-квантов, циркулярную поляризацию которых предстояло найти. у-кванты от источника не могут попасть прямо в детектор — на пути стоит свинцовый коллиматор. Они могут дать сигнал, только отразившись от поляриметра через комптоновское рассеяние на поляризованных электронах ферромагнетика. А вероятность рассеяния при этом чувствительна к циркулярной поляризации фотона. Значит, циркулярную поляризацию можно измерить, сравнив числа у-квантов, попавших в детектор при противоположных направлениях намагниченности поляриметра. Однако вся беда в том, что разница в этих числах ничтожна.

Простейшие оценки давали величину циркулярной поляризации где-то между 10-5 и 10-6. При этом эффективность поляриметра составляет всего несколько процентов, значит надо искать относительную разницу в потоке у-квантов где-то в районе 10-7. Вспомнив, что относительная статистическая ошибка обратно пропорциональна квадратному корню из числа событий, заключаем, что надо пересчитать больше 1014 квантов, а чтобы хоть как-то измерить эффект — больше 1016. Это исключительно трудно сделать в наше время, а в те дни было абсолютно невозможно.

Гамма-кванты сравнительно небольшой энергии обычно регистрируются сцинтиллятором: электрон отдачи (или фотоэлектрон) возбуждает молекулы, возбуждение снимается высвечиванием,свет попадает в фотоумножитель, который преобразует вспышку света в импульс тока. Но если нам надо пересчитать 1016 квантов, на это уйдут тысячи лет — быстрее электроника не переварит. Если попробовать быстрее — вместо импульсов будет каша, шум, который невозможно распутать.

Лобашёв предложил не пересчитывать фотоны, а просто измерять суммарный ток, выдаваемый фотоумножителем или фотодиодом, — эта идея получила название «интегральный метод». Пусть будет каша — давайте ее интегрировать, не пытаясь распутать. Но средние значения тока при разных поляризациях отличаются всего на 10-7 — как обнаружить эту разницу? Электроники, способной измерить такую разницу, в те времена не существовало.

Визит Нобелевского лауреата Р. Дэвиса (В центре) в ИЯИ РАН 17.01.2000. Г.Т. Зацепин (справа), В.М. Лобашёв. Фото С. Феклюнина

Решение было поразительным по своей красоте: использовать явление резонанса. Из ничтожной разницы можно сделать периодический сигнал, перемагничивая поляриметр через строго фиксированное время. А как известно из радиофизики, слабый периодический сигнал,тонущий в шумах, можно очень хорошо выделять и накапливать, подавая его на колебательную систему с хорошей добротностью (т.е. с малыми относительными потерями энергии), настроенную в резонанс. В качестве такой колебательной системы был выбран физический маятник! Обычный маятник от астрономических часов в вакуумной камере. Оказывается, в то время это был лучший по добротности технически реализуемый вариант.

Итак, поток у-квантов, отраженных от поляриметра, попадал в сцинтиллятор, вызывая свечение в виде постоянного шума, чуть-чуть зависящего от направления намагниченности поляриметра. Частота перемагничивания поляриметра строго соответствовала собственной частоте маятника. Фотодиод превращал световой сигнал в электрический. Далее сигнал усиливался, фильтровался и подавался на отклоняющие электромагниты. И маятник потихоньку раскачивался!

На заседании Троицкого научного центра 20.11.2003. Фото К.Рязанова

Конечно, всё намного сложней, чем в этом схематическом описании. Надо было исключить возможность наводок, надо было провести контрольные измерения (с заведомо нулевой циркулярной поляризацией) и калибровочные измерения (с известной циркулярной поляризацией). Кроме того, как и в любом уникальном эксперименте, дьявол кроется во множестве деталей, на отладку которых уходят годы.

Эффект, выражаемый как относительная разность сигналов при перемагничивании поляриметра, оказался равным 3 x 10-7. Соответствующее значение поляризации: Ру = (6±1)10-6. Этот результат был опубликован в 1967 г. в Physics Letters.

Потом проверялись другие ядра, тоже давшие значимую поляризацию испущенных γ-квантов. Вершиной серии экспериментов стало измерение самой «чистой» ядерной реакции: np — с1у. Так обозначается реакция соединения протона с нейтроном в дейтрон — ядро тяжелого водорода. При этом испускается у-квант фиксированной энергии 2200 кэВ. Чистой реакцию можно назвать по той причине, что в ней участвует всего две частицы, и результат по циркулярной поляризации довольно легко теоретически связывается со свойствами слабого взаимодействия в двухнуклонной системе. К сожалению, при всей своей чистоте ожидаемый эффект в этой реакции мал. Дело в том, что для тяжелых ядер в некоторых случаях есть механизмы усиления пространственно-нечетных эффектов — именно такие случаи отбирались для эксперимента. А при соединении протона с нейтроном никакого усиления нет. Но В.М. Лобашёв был не из тех, кого смущает сложность задачи. Скорее она его воодушевляла.

В эксперименте по циркулярной поляризации от np — Cg нужен уже источник нейтронов, причем «нормальными» источниками нейтронов не обойтись. Есть только одно место, где существует нужный по величине поток нейтронов, — активная зона реактора. Эксперимент ставился на реакторе Ленинградского института ядерной физики. В центре активной зоны реактора была сформирована водная полость, окруженная свинцовой защитой, которая и служила источником у-квантов. Гамма-кванты выводились 5-метровым каналом-коллиматором через биологическую защиту реактора к поляриметру, после прохождения которого регистрировались сцинтилляционным детектором. Скорость счета на детекторе составляла 3 x 1010 γ-квантов в секунду.

Экспериментальная установка В.М. Лобашёва в 90-е годы

Как уже сказано, теоретические ожидания для величины эффекта в данной реакции малы. В какой-то момент эффект вроде бы проклюнулся, причем намного выше теоретической оценки, но его статистическая достоверность была невелика — 3 а. Очень часто такие эффекты «рассасываются», что произошло и здесь. В результате эффекта не нашли, но поставили уникально низкий предел на циркулярную поляризацию: Ру < 5 x 10 -7.

Серия экспериментов поставила логическую точку в вопросе слабого взаимодействия нуклонов и, что может быть более важно, дала ряд блестящих методических идей. За обнаружение пространственно нечетных эффектов в ядерных реакциях Лобашёв вместе с Абовым и Крупчицким получил Ленинскую премию.

В серии были интересные «ответвления», давшие результаты, не связанные с нарушением пространственной четности. Это уже упоминавшееся вращение плоскости поляризации γ-квантов, проходящих через намагниченный ферромагнетик (аналог эффекта Фарадея в оптика), — этому результату был присвоен статус открытия. Также был измерен эффект циркулярной поляризации γ-квантов в реакции np — Cg с поляризованными нейтронами. Этот эффект не нарушает пространственной четности, но дает интересную информацию о взаимодействии нуклонов.

О других ярких экспериментах В.М. Лобашёва будет рассказано в следующей статье.

Борис Штерн

Владимир Михайлович Лобашев

3 августа 2011 года, на 78-м году жизни, скончался известный ученый с мировым именем в области ядерной физики и физики элементарных частиц, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Ленинской премии, академик, заведующий Отделом экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН, Почетный гражданин города Троицка

Академик В.М. Лобашёв внес неоценимый вклад в развитие исследований явлений нарушения Р и СР-инвариантности, нейтронной и нейтринной физики, физики средних энергий. Им был обнаружен и исследован новый эффект в квантовой электродинамике — вращение плоскости поляризации гамма-квантов в среде поляризованных электронов, которое было зарегистрировано как открытие. Его работы по изучению малых эффектов, связанных с несохранением пространственной четности, имели фундаментальное значение для доказательства универсальности слабого взаимодействия и определили развитие экспериментов в этой области во всем мире. Эти работы были удостоены Ленинской премии (1974 г.)

Ряд выдающихся результатов был получен Владимиром Михайловичем Лобашёвым в области физики ультрахолодных и поляризованных нейтронов. Наиболее важные научные результаты, достигнутые академиком В.М. Лобашёвым за последние годы, относятся к измерению массы нейтрино в бета-распаде трития на уникальной установке «Троицк-ню-масс».

Владимир Михайлович Лобашёв внес основополагающий вклад в становление и развитие экспериментальной базы уникального научного комплекса Московской мезонной фабрики Института ядерных исследований в г. Троицке. В.М. Лобашёву присвоено звание Почетный гражданин г. Троицка.

Академик В.М. Лобашёв навсегда останется в памяти многочисленных учеников и коллег как пример самозабвенного служения науке. Его деятельность снискала глубокое уважение научной общественности у нас в стране и за рубежом, отмечена высокими правительственными наградами.

Российская наука понесла невосполнимую утрату.

Коллектив Института глубоко скорбит по поводу кончины Владимира Михайловича Лобашёва и выражает искренние соболезнования его родным и близким.

Светлая память об академике В.М. Лобашёве навсегда сохранится в наших сердцах.

Классические эксперименты Лобашёва - Троицкий вариант — Наука (original) (raw)

См. также: