Классические эксперименты Лобашёва

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.

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).

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).

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 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.

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!

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.

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

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.