Gargamelle
Gargamelle — пузырьковая камера в ЦЕРН, которая в 1973 году дала один из важнейших результатов физики элементарных частиц: обнаружение нейтральных токов.
Тем самым теория электрослабого взаимодействия превратилась из изящной догадки в проверенную физику — и путь к W- и Z-бозонам был открыт.
Что такое пузырьковая камера
Пузырьковая камера содержит жидкость чуть ниже точки кипения. Когда её пересекает заряженная частица, вдоль её траектории возникают крошечные пузырьки пара. Вспышка света и несколько фотокамер фиксируют след.
У этого метода есть достоинство, которого не мог предложить ни один электронный детектор того времени: событие видно. Каждый след существует как изображение — со всеми разветвлениями, искривлениями и разрывами.
И есть недостаток: каждый снимок приходилось обрабатывать людям. В ЦЕРН для этого работали целые отделы обработчиц, просматривавших снимок за снимком.
Постройка
Gargamelle была построена во Франции и с 1970 года работала в ЦЕРН. Резервуар имел около 4,8 метра в длину и почти два метра в диаметре и вмещал примерно 12 кубических метров тяжёлого фреона.
Выбор жидкости был решающим. Фреон плотен, а плотность означает больше атомных ядер на единицу объёма — то есть больше возможностей для нейтрино вообще провзаимодействовать. У частицы с таким сечением взаимодействия на счету каждый грамм.
Имя происходит из романа Рабле: Гаргамелла — великанша, которая рождает Гаргантюа.
Вопрос
Сформулированная в 1967 году электрослабая теория Глэшоу, Салама и Вайнберга предсказывала нечто необычное.
Известны были процессы, в которых нейтрино превращается в заряженный лептон, — заряженные токи. Наряду с ними теория требовала процессов, в которых нейтрино остаётся нейтрино и передаёт только энергию: нейтральные токи.
Таких событий не наблюдал никто никогда. Если бы их не было, теория была бы опровергнута — а вместе с ней и перспектива объединения слабого и электромагнитного взаимодействий.
Обнаружение
Искомая картина своеобразна. Нейтрино входит, невидимое. Оно попадает в нуклон, порождает ливень адронов — и снова уходит, тоже невидимое.
На плёнке видно, стало быть, пучок следов, возникающий из ничего, к которому не относится ни один мюон. При заряженном токе вместо этого был бы виден длинный сплошной след мюона.
Именно такие снимки и нашла коллаборация — около ста событий без мюона против нескольких сотен с мюоном. Соотношение соответствовало предсказанию.
Настоящая трудность
Трудным было не найти, а исключить.
Нейтроны из окружения могут порождать ту же картину: они тоже нейтральны, тоже невидимы, и столкновение тоже порождает ливень.
Коллаборация решила это через пространственное распределение. Нейтроны приходят снаружи и быстро останавливаются в жидкости — их события должны были бы скапливаться у края. Нейтрино пронизывают всё и порождают свои события равномерно по всему объёму.
Найденные события были распределены равномерно.
Кроме того, Франц Йозеф Хазерт нашёл один-единственный снимок, на котором электрон без видимой причины меняет направление, — чистейшая мыслимая форма нейтрального тока, при которой нейтрино рассеивается на электроне. Одно-единственное событие, но такое, у которого нет никакого запасного истолкования.
Последствия
В июле 1973 года ЦЕРН объявил об обнаружении. Результат сделал электрослабую теорию правдоподобной, и Глэшоу, Салам и Вайнберг получили в 1979 году Нобелевскую премию — до того, как были найдены сами бозоны. Их обнаружение удалось в 1983 году, тоже в ЦЕРН.
Для физики нейтрино Gargamelle имеет прямое значение. Когерентное рассеяние на атомных ядрах, на которое опираются нынешние малые детекторы, — это процесс через нейтральные токи. А Sudbury Neutrino Observatory решила проблему солнечных нейтрино, сравнив друг с другом заряженные и нейтральные токи.
Без результата 1973 года не было бы ни теории об этом, ни ожидания, что нечто подобное вообще можно измерить.
Дальнейшая судьба
Камера пришла в негодность в 1979 году из-за трещины. Сегодня она стоит под открытым небом на территории ЦЕРН и относится к немногим крупным установкам физики частиц, которые можно рассмотреть снаружи.
Связанные понятия
- W- и Z-бозон — переносчики взаимодействия
- Слабое взаимодействие
- CEνNS — нейтральный ток в сегодняшнем применении
- Sudbury Neutrino Observatory
Источники
- F. J. Hasert и др. (коллаборация Gargamelle): Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment, Physics Letters B 46, 138 (1973).
- F. J. Hasert и др.: Search for elastic muon-neutrino electron scattering, Physics Letters B 46, 121 (1973).