… 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»[139].
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[140], 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[141]. 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.