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[120]. 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[121].
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.
Глава 5Первые 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, основыва