№12, 2004 г.
А.И.Алиханов. Портрет работы М.И.Сарьяна (масло).
От рентгеновских лучей
к элементарным частицамК 100-летию
Абрама Исааковича АлихановаЮ.Г. Абов,
доктор физико-математических наук
Институт экспериментальной и теоретической физики
МоскваАбрам Исаакович Алиханов родился 4 марта 1904 г. (по новому стилю) в г.Елизаветполе (тогда, по-видимому, - в Армении, затем город стал называться Кировабадом и оказался в Азербайджане). Отец, Исаак Абрамович, работал машинистом на Закавказской железной дороге, мать была домашней хозяйкой. В семье было четверо детей: два сына, Абрам и Артем, и две дочери. Оба сына, как известно, стали крупными физиками-экспериментаторами. Семья не раз меняла место жительства: Елизаветполь, Александрополь, затем Тифлис. Работал только отец, и, тем не менее, старшему сыну Абраму наняли учителя для подготовки к поступлению в реальное училище. Абрам начал в нем учиться, но затем весь класс перевели в коммерческое училище. Тем временем семья вновь оказалась в Армении, но Абрам остался в Тифлисе, окончил училище и поступил на химический факультет Тифлисского политехнического института (1921). В 1920 г. семья Алихановых была вынуждена бежать из Армении, чуть не попав в плен к туркам. Ехали на крышах вагонов, но поезд не пропустили в Грузию. Меньшевистское правительство Грузии не хотело въезда беженцев. Лишь благодаря содействию друзей семья вновь объединилась в Тифлисе.
В 1921 г. отец тяжело заболел. Абраму пришлось помогать семье, работая в разных местах. Тем не менее в 1923 г. ему удалось поступить, вновь на первый курс, на физико-механический факультет Ленинградского политехнического института. Но и здесь, в Ленинграде, на жизнь он зарабатывал сам.
В 1927 г., еще будучи студентом, Абрам Исаакович был принят на работу в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ). Его первые опыты касались изучения рассеяния рентгеновских лучей кристаллами в связи с проблемой старения металлов. В ходе этих исследований молодого экспериментатора в большей степени заинтересовали физические свойства самих рентгеновских лучей.
Начало пути: рентгеновская оптика
Сразу после обнаружения дифракции рентгеновских лучей возник вопрос, можно ли использовать законы классической световой оптики для описания их оптических свойств. Запишем соотношение Брэгга-Вульфа, которое задает условие формирования интерференционного максимума порядка m = 1, 2… при падении излучения с длиной волны l под углом скольжения q на систему атомных плоскостей с межплоскостным расстоянием d, в виде
Казалось бы, величина l/2d не должна зависеть от порядка отражения m, но опыт показал, что это не так, т.е. l/2d № const. Объяснить этот экспериментальный факт можно, если рентгеновские лучи, подобно световым, испытывают преломление на границе двух сред. Определив, как обычно, показатель преломления
где d << 1, получим:
т.е. отношение l/2d действительно зависит от m. Более того, используя выражение (3) для разных значений m1 № m2, можно получить значение d, т.е. определить показатель преломления n. Дифракционные опыты показали, что для рентгеновских лучей, в отличие от обычной оптики, n не больше единицы, а меньше. Величина d ~ 10–6, т.е. показатель преломления очень близок к единице, но, тем не менее, меньше ее. Значит, вакуум (воздух) является для них оптически более плотной средой, чем вещество.
Дифракционное отражение рентгеновских лучей от кристалла
с учетом преломления на границе вакуум-среда.
q - угол скольжения, q’ - соответствующий ему угол в среде.
Атомные плоскости параллельны поверхности кристалла.Однако дифракционный метод неудобен для измерений показателей преломления. В подавляющем большинстве случаев был использован метод, основанный на явлении полного отражения. В световой оптике его называют полным внутренним отражением, так как, в соответствии со значением n, оно имеет место при падении луча на границу раздела вакуум-среда из глубины вещества. В рентгеновской оптике его следует называть полным внешним отражением, но такой термин не “прижился”, поэтому будем говорить просто о полном отражении. Если q = qкр, то, согласно (2),
значит, qкр » Ц2d. Порядок величины Ц2d составляет несколько минут. Казалось бы, измерения критического угла не представляют больших проблем. При q < qкр коэффициент отражения - отношение интенсивностей отраженного и падающего лучей - должен равняться единице, а при q іqкр - быстро падать до нуля. Однако на самом деле не все так просто. В процессе полного отражения падающий луч проникает внутрь вещества, но его интенсивность при этом быстро (экспоненциально) затухает, и энергия “перекачивается” в интенсивность отраженного. При наличии поглощения излучения в веществе исчезает резкая граница при q = qкр, интенсивность отраженного пучка вблизи критического угла изменяется тем более плавно, чем больше поглощение, и определение qкр по зависимости интенсивности от угла q становится невозможным. Как в этом случае найти показатель преломления среды? Если есть теория явления, то показатель преломления можно определить, сравнивая экспериментальную кривую с расчетными. В оптике в таких случаях используют формулы Френеля, полученные на основе уравнений Максвелла и принципа Гюйгенса. Спрашивается, можно ли их использовать в оптике рентгеновских лучей? Определенного ответа на этот вопрос не могли получить в течение ряда лет. Возникла необходимость детально исследовать весь механизм полного отражения и, в частности, измерить глубину проникновения рентгеновских лучей в вещество. Окончательно проблему решили А.И.Алиханов и Л.А.Арцимович в течение 1930-1933 гг. [1]. В качестве источника рентгеновских лучей они использовали трубку с молибденовым антикатодом. Характеристическую линию
МоКa1 - одну из моноэнергетических линий атома молибдена - выделяли с помощью кристалла-монохроматора. Для этой цели за трубкой располагалась камера, внутри которой был помещен монокристалл кальцита. Кристалл можно было поворачивать так, чтобы угол скольжения пучка с поверхностью кристалла соответствовал условию Брэгга-Вульфа (1) для указанной линии.В этом устройстве заключалось одно из преимуществ и отличий установки Алиханова и Арцимовича от установок их предшественников, которые, как правило, использовали немонохроматическое излучение, что затрудняло определение критического угла. На выходе камеры монохроматора была укреплена щель, положение и ширина которой регулировались. Далее на пути пучка размещалась разборная вакуумная камера, где помещалась оптически полированная стеклянная пластина (“зеркало”), на которую методом испарения наносили тонкие слои исследуемых веществ. Зеркало можно было сдвигать и поворачивать при помощи специального устройства. Цена деления шкалы микрометрического винта соответствовала повороту зеркала на угол 0.08ў. Оригинальная испаряющая система позволяла наносить на подложку-зеркало самые тонкие - моноатомные - слои как прозрачных, так и сильно поглощающих материалов. Щель, установленная за вакуумной камерой, отсекала часть пучка, проходившую мимо зеркала. Регистрировали отраженный пучок с помощью ионизационной камеры (до Алиханова пользовались фотографическим методом регистрации, часто даже без фотометрии, что исключало возможность точного измерения интенсивности). Вначале исследовали полное отражение от подложки-зеркала. Затем постепенно наращивали толщину слоя исследуемого материала до исчезновения влияния самой подложки на процесс полного отражения. Так измеряли глубину слоя, на которую проникает излучение в этом процессе.
Авторы разработали теорию явления полного отражения рентгеновских лучей, основанную на представлениях классической оптики. Все полученные экспериментальные данные были сопоставлены с расчетными, и согласие оказалось полным. Тем самым была убедительно продемонстрирована справедливость классических представлений в оптике жестких рентгеновских лучей (подробнее об этом см. в [2]).
В глубь материи
В 1932 г. были сделаны два крупных открытия в физике: обнаружены нейтроны и положительно заряженные электроны - позитроны. Директор и основатель ЛФТИ академик А.Ф.Иоффе решил, что необходимо срочно начинать ядерно-физические исследования. Он создал в ЛФТИ отдел ядерной физики, который вскоре возглавил И.В.Курчатов, а в своем отделе - отделе физики твердого тела - лабораторию позитронов, руководить которой поручил Алиханову.
А.Ф.Иоффе, А.И.Алиханов, И.В.Курчатов (слева направо). Начало 30-х годов.
Позитроны были открыты К.Андерсоном в космических лучах. В своей работе он использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Напомним, что в камере Вильсона, в рабочем объеме которой при резком движении поршня на короткое время возникает состояние пересыщенного пара, заряженная частица, способная ионизировать атомы газа, оставляет за собой след в виде капелек жидкости. Капельки конденсируются на ионах вдоль пути частицы, трек частицы становится видимым, и его можно сфотографировать. В однородном магнитном поле трек принимает форму винтовой линии. Сечение этой линии плоскостью, нормальной к оси (направлению поля), есть окружность, радиус которой определяется кинетической энергией частицы. Очевидно, что если радиус очень мал или, наоборот, велик (малая кривизна), измерения его затруднены. Кроме того, необходимо вносить поправки на многократное рассеяние частиц в газе. Электроны и позитроны, двигаясь в противоположных направлениях, создают одинаковые треки - треки с одинаковой кривизной. Первым догадался поместить камеру в магнитное поле Д.В.Скобельцын - в 1926 г.; в 1931 г., до Андерсона, он обнаружил электронные треки с “неправильной” кривизной, но по указанной выше причине не решился объявить о наблюдении новых, ранее неизвестных, частиц - позитронов. После сообщения Андерсона были поставлены опыты другими экспериментаторами и сомнений в существовании позитронов не осталось. Сразу после обнаружения позитронов в космических лучах был начат поиск “земных” источников этих частиц. Вновь все экспериментаторы использовали для этой цели камеры Вильсона. Абрам Исаакович Алиханов отказался от этой методики. Он построил магнитный спектрометр типа Даниша, устройство которого изображено на рисунке. Однородное магнитное поле направлено перпендикулярно к плоскости рисунка. Заряженные частицы (электроны, позитроны), вылетающие из источника (показан слева), фокусируются на детекторе, который расположен справа. Детектор состоит из двух счетчиков Гейгера-Мюллера, включенных в схему совпадений. Счетчик Гейгера-Мюллера устроен так, что при прохождении через него заряженной частицы в нем возникает импульс электрического тока - короткий электрический сигнал. Регистрировали только такие частицы, которые давали одновременно сигналы в обоих счетчиках. Схема отбора совпадений была впервые собрана на электронных лампах с большим усилением. Работы группы Алиханова положили начало развитию ядерной электроники в СССР.
Магнитный бета-спектрометр А.И.Алиханова.
Зубцы в свинце служат ловушками рассеянного излучения.При заданном направлении и величине магнитного поля в детектор попадают либо электроны, либо позитроны, причем с определенной энергией. Перепутать электроны и позитроны невозможно. Изменяя величину поля, можно исследовать спектр частиц. Использование схемы совпадений резко снизило фон от случайно рассеянных в спектрометре частиц - электронов, гамма-квантов. Это позволило использовать сильные радиоактивные источники.
В поисках источников позитронов супруги Кюри обнаружили, что при облучении некоторых атомных ядер a-частицами возникают радиоактивные продукты ядерных реакций. Некоторые из них обладают позитронной активностью. Так была обнаружена искусственная радиоактивность. К аналогичному выводу независимо от них пришли А.И.Алиханов, его брат А.И.Алиханьян и Б.С.Джелепов, но опубликовали свое сообщение о “новом типе радиоактивности” на несколько месяцев позже [3].
Свои исследования на магнитном спектрометре Алиханов начал с изучения внешней парной конверсии гамма-квантов. Существование этого явления непосредственно следовало из теории Дирака, и оно уже было обнаружено. Состоит оно в том, что в кулоновском поле ядра гамма-квант может превратиться в пару е+е– - позитрон и электрон. В вакууме этот процесс запрещен законом сохранения импульса - нужен третий партнер, которым в данном случае служит атомное ядро. Сечение (вероятность) процесса пропорционально квадрату электрического заряда ядра, поэтому в качестве “конверторов” используют фольгу из тяжелых элементов, обычно из свинца. На нее падают гамма-лучи внешнего радиоактивного источника (энергия кванта должна превосходить энергию покоя двух электронов), и в направлении падающего излучения выходят е+е–-пары. По причинам, которые отмечены выше, с помощью камеры Вильсона трудно детально исследовать спектр позитронов во всем энергетическом диапазоне. Это было сделано с помощью магнитного спектрометра Алихановым, и было показано, что в соответствии с теорией максимум спектра приходится на энергию позитронов, равную половине максимальной. В ходе исследований Алиханов обнаружил, что позитроны оказываются в спектрометре и при отсутствии конвертора, но значительно реже.
Так Алихановым было сделано крупное открытие: обнаружено явление внутренней парной конверсии. О возможности подобного процесса уже говорили, но теория еще не была разработана. Более того, супруги Кюри уже сообщили о том, что они это явление наблюдали, однако доказательств представлено не было. Итак, что это такое - “внутренняя парная конверсия”?
В некоторых случаях возбужденное атомное ядро источника при условии, что энергия возбуждения превосходит энергию покоя двух электронов, вместо реального гамма-кванта испускает виртуальный квант. Виртуальный гамма-квант тут же превращается в е+е–-пару, исходящую, можно сказать, из атомного ядра. Реальные гамма-кванты можно регистрировать детекторами, т.е. наблюдать непосредственно; к ним строго применимы законы сохранения. Виртуальные частицы принципиально ненаблюдаемы. Любой процесс регистрации требует времени, а виртуальные частицы “живут” столь короткое время, что их увидеть нельзя. Но реальную е+е–-пару, в которую превращается виртуальный гамма-квант, зарегистрировать можно. Увидев появление позитронов в спектрометре при отсутствии конвертора (который могли снять случайно), Алиханов понял, что наблюдает новое явление - процесс внутренней парной конверсии. Но тогда энергетический спектр частиц е+ должен сильно отличаться от спектра позитронов внешней парной конверсии. Пусть энергия гамма-кванта равна Еg (на самом деле мы здесь пренебрегли энергией отдачи ядра - она весьма мала). На образование е+е–-пары надо затратить энергию 2mес2 » 1.02 МэВ (mе - масса электрона, c - скорость света). Значит, максимальная энергия позитрона (в этом случае электрону ничего “не достается”) равна Еmaх = Еg – 1.02 МэВ. За этой энергией в спектре следует резкий обрыв, как это показано на рисунке. В качестве радиоактивного источника в данном случае был использован препарат RaС (214Bi). У этого ядра был известен гамма-переход с энергией около 1.6 МэВ.
Энергетический спектр позитронов RaC (214Bi).
Цифрами обозначены энергии гамма-линий (обрывы на кривой).Обрыв спектра при этой энергии хорошо виден на рисунке. Но ясно видны и другие “обрывы”, демонстрирующие присутствие других гамма-линий, т.е. гамма-переходов, которые сопровождаются процессом внутренней парной конверсии. Наблюдение таких спектров и есть прямое доказательство существования процесса внутренней парной конверсии. Регистрация единичного позитрона в камере Вильсона при отсутствии конвертора за источником излучения не может быть доказательством обнаружения нового физического явления. Работы Алиханова и его учеников положили начало современной ядерной спектроскопии. Один из них - член-корреспондент АН СССР Джелепов - занимался этой наукой до конца своих дней и был признанным мировым лидером в данной области. Алиханов детально исследовал форму бета-спектров как при электронном, так и позитронном распадах и впервые обнаружил влияние кулоновского поля бета-активного ядра на форму спектра обеих частиц. Более того, он пытался исследовать форму бета-спектра вблизи максимальной энергии электронов, где интенсивность близка к нулю. Целью этого эксперимента было измерить массу нейтрино, которое испускается при бета-распаде вместе с электроном.
Гипотеза о существовании нейтрино, выдвинутая В.Паули, должна была “спасти” законы сохранения в бета-распаде, так как позволяла объяснить непрерывную форму бета-спектров. Н.Бор еще в 20-х годах прошлого века инициировал дискуссию на тему, могут ли законы сохранения нарушаться в микромире. Существование нейтрино было доказано значительно позже. Но тогда, в 30-е годы, Абрам Исаакович в изящном эксперименте показал, что законы сохранения в микромире справедливы, т.е. строго выполняются. При столкновении друг с другом электрон и позитрон аннигилируют, превращаясь в два гамма-кванта. В случае малых энергий, когда суммарный импульс исходных частиц близок к нулю, кванты, энергия каждого из которых равна 0.5 МэВ, должны разлетаться в противоположные стороны. Алиханов со своими коллегами именно это и продемонстрировал [3].
Группа Алиханова в течение 1933-1940 гг. выполнила очень много значительных, актуальных тогда исследований. Например, было показано, что процессы рассеяния и поглощения быстрых электронов адекватно описываются релятивистской квантовой механикой (подробно об этом периоде деятельности ученого см. в [4]). В 1935 г. Алиханову была присуждена ученая степень доктора физико-математических наук, а в 1939 г. он был избран в члены-корреспонденты Академии наук СССР, в 1943 г. стал ее действительным членом.
От бомбы к реактору
Когда в военные годы в СССР было принято решение о начале работ по разработке и созданию атомного оружия под руководством Курчатова, Алиханов был привлечен к этому проекту с самого начала. Для создания атомного оружия используют два нуклида: уран-235 и плутоний-239. Первый изотоп (235U) в небольшом количестве содержится в природном уране, который в основном состоит из изотопа 238U. Выделение 235U осуществляется на специальных установках - сепараторах. Плутоний нужно создавать в атомных реакторах путем захвата нейтронов ядрами 238U (затем вследствие бета-распада 238U превращается в 239Рu). В цепной реакции деления ядер после захвата одного нейтрона в результате развала ядра на более легкие ядра освобождается более двух нейтронов и выделяется энергия, нейтроны вызывают деление и т.д. Цепной процесс развивается по экспоненциальному закону, это и есть взрыв. Для его осуществления масса делящегося вещества должна быть не менее определенного критического значения.
В отличие от атомной бомбы, где реакция деления идет на быстрых нейтронах, тех, которые возникают при делении ядер, в большинстве ныне действующих реакторов реакция деления ядер идет на медленных нейтронах, так как эффективное сечение (вероятность) захвата ядрами 235U медленных нейтронов значительно выше и, значит, можно использовать меньше “горючего материала”. Поэтому нейтроны деления нужно замедлить. В качестве замедлителя используют слабо поглощающие нейтроны легкие материалы: воду (обычную или тяжелую), графит, бериллий. В 1943 г. Курчатов создал научный центр, сейчас носящий его имя, а тогда лабораторию №2 Академии наук СССР, где разрабатывали атомные реакторы с графитовым замедлителем - графитовые реакторы. В декабре 1945 г. Алиханов организовал лабораторию №3 АН СССР, которая впоследствии выросла в Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ). Лаборатория должна была заниматься разработкой реакторов на тяжелой воде и развитием исследований в области ядерной физики, и уже в 1947 г. был готов проект первого в стране подобного реактора. В 1948 г. реактор был построен, а в апреле 1949 г. - сдан в эксплуатацию.
Упрощенная схема реактора ИТЭФ.
(1) Активная зона реактора. Она заполнена тяжелой водой; в ней расположены урановые стержни (показаны на рисунке цветом), а также стержни системы управления.В центре рисунка, изображающего его упрощенную схему, показана активная зона реактора, в которой находятся урановые стержни. Там же расположены и стержни системы управления - они содержат сильно поглощающий нейтроны материал. Верхняя часть аппарата - крышка - сделана вращающейся. Крышка имеет ряд отверстий, благодаря которым легко изменять конфигурацию (решетку) расположения урановых стержней. Были испытаны различные решетки и выбран оптимальный вариант для промышленного реактора, предназначенного для наработки плутония. Промышленные реакторы вскоре вошли в строй. Задание Правительства было выполнено. В 1954 г. Алиханову было присвоено звание Героя Социалистического Труда, а до того он трижды становился лауреатом Государственной премии СССР (1941, 1948, 1953). Абрам Исаакович до конца своих дней оставался горячим энтузиастом и признанным лидером тяжеловодного направления в реакторостроении в СССР, но предпочтение было отдано более дешевым графитовым аппаратам. В скобках отметим, что графитовые реакторы получили широкое распространение только в нашей стране. У тяжеловодных реакторов есть много достоинств, но мы остановимся только на одном из них. Такие установки оказались очень устойчивыми в работе за счет большого отрицательного температурного коэффициента. В них возникает сильная обратная связь температура - реактивность. С ростом температуры уменьшается коэффициент размножения нейтронов в активной зоне, и мощность снижается. На реакторе ИТЭФ было показано, что после достижения стационарного режима можно выключить регуляторы, и реактор будет сам себя регулировать за счет отрицательного температурного коэффициента. Более того, можно вынуть из активной зоны все регуляторы - режим саморегулирования сохраняется. Значит, выход из строя системы автоматического регулирования мощности не может вызвать аварию.(2) Графитовый отражатель, окружающий всю активную зону. Толщина графита всюду не менее 1 м. Нейтроны, выходящие из активной зоны, рассеиваются в графите и частично возвращаются обратно.
(3) Свинцовая защита, расположенная под крышкой реактора (не показана на рисунке).
(4) Канал для вывода пучка нейтронов из активной зоны в рабочий зал реактора.
(5) Трубопроводы, предназначенные для наполнения активной зоны тяжелой водой, аварийного сброса воды в полость под реактором, а также трубопровод, ведущий к циркулярным насосам и теплообменникам (не показаны).
(6) Защита из тяжелого бетона.
На вопрос о том, можно ли было избежать чернобыльской катастрофы, если бы был сделан выбор в пользу тяжеловодных реакторов, ответ прост: нарушая правила эксплуатации, можно вызвать аварию на любом реакторе. В ИТЭФ персонал реактора ежегодно сдавал руководству экзамен на право дальнейшей работы, и за почти 40 лет на реакторе института не возникло ни одной аварийной ситуации. Конечно, главная задача современной ядерной энергетики - создание реакторов с повышенной безопасностью. В ИТЭФ продолжают работать над такими проектами, но в стране уже нет даже завода для производства тяжелой воды. Тяжеловодному направлению не суждено было стать магистральным у нас. Поэтому “центр тяжести” научных интересов в ИТЭФ был смещен в сторону ядерной физики и физики элементарных частиц.
К тайнам микромира
За период 1957-1960 гг. в институте был выполнен огромный комплекс исследований нарушения пространственной четности в бета-распаде. Четность - понятие квантовомеханическое: если волновая функция Y(х,у,z,t), описывающая состояние физической системы, не изменяется при инверсии координат, т.е. замене х ® –х, у ® –у, z ® –z, функция Y называется четной, а если изменяет знак, - нечетной.
До 1956 г. считали, что четная функция всегда остается четной, а нечетная - нечетной. В закон сохранения четности верили, как в закон сохранения энергии. В 1956 г. Т.Ли и Ч.Янг высказали предположение о том, что слабое взаимодействие (оно ответственно за бета-распад) нарушает закон сохранения четности. Профессор Ц.Ву и ее коллеги подтвердили эту догадку экспериментально. В скобках отметим, что у Ву сложились очень хорошие, теплые отношения с Алихановым.
Чтобы коротко пояснить смысл опыта Ву, напомним, что при инверсии координат (ее проще представить как последовательное отражение в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях) различные величины ведут себя по-разному. Скалярная величина не изменяется, как не меняется и направление аксиального вектора, а полярный вектор меняет направление на обратное. Последний вариант реализуется для простого перемещения (достаточно приблизиться к зеркалу - изображение движется навстречу); вращение, наоборот, после трех отражений продолжается в ту же сторону. Иначе говоря, импульс p - полярный вектор, а момент количества движения s - аксиальный. Заметим, что произведение sp изменяет знак при инверсии координат - это так называемый псевдоскаляр.
Закон сохранения четности требует, чтобы четность состояния не изменялась, т.е. при переходе системы из одного состояния в другое четности исходного и конечного состояний совпадали. Поэтому вероятность перехода должна быть скалярной величиной - она не изменяется при инверсии координат. Обратимся к бета-распаду ядер. Ядра обладают собственными моментами количества движения - спинами s; если они бета-активны, то испускают электроны с импульсами p. Если четность сохраняется, согласно сказанному, вероятность распада не должна содержать члена вида sp. Тогда нужно разрешить электрону с равной вероятностью вылетать из ядра в любую сторону. Поскольку спин - аксиальный вектор, инверсия координат не изменяет его ориентации. Вылет электрона с равной вероятностью происходит в любом направлении. Следовательно, бета-распад происходит совершенно одинаково как в нашем мире, так и в том, который является его зеркальным отображением (получается путем инверсии координат). При сохранении четности не существует способа отличить друг от друга два таких мира. Опыт Ву показал, что это не так, два мира физически отличаются друг от друга.
Ву исследовала бета-распад ядер кобальта - 60Со, которые были поляризованы, т.е. спины ядер были параллельны друг другу. Техника поляризации ядер хорошо освоена. В данном случае образец кобальта находился в магнитном поле при сверхнизкой температуре. Опыт показал, что электроны бета-распада вылетают преимущественно против направления спина ядер, т.е. векторы спина ядер s и импульса электрона p направлены в противоположные стороны. Здесь важно, что есть корреляция этих направлений: sp № 0. Произведя инверсию координат - перейдя в “зазеркалье”, мы не изменим направления s, но вектор p изменит направление и будет параллельным s. Теперь электроны будут вылетать вдоль направления поляризации ядер. Бета-распад отличает наш мир от его зеркального отображения. Слабое взаимодействие позволяет природе отличать “правое” от “левого”. Другие взаимодействия - электромагнитное, сильное, гравитационное - таким свойством не обладают. Как будет проявляться нарушение закона сохранения четности в бета-распаде, если ядра не имеют определенной ориентации в пространстве - не поляризованы? В этом случае нет корреляции между s и p, так как s - спины ядер имеют случайную ориентацию и sp = 0. Две группы экспериментаторов в ИТЭФ - группа А.И.Алиханова и группа одного из его лучших учеников С.Я.Никитина - первыми получили ответ. Они обнаружили, что нарушение четности проявляется в наличии поляризации у самих электронов бета-распада. Алиханов исследовал большое количество разных бета-активных ядер и показал, что в соответствии с теорией спины электронов бета-распада строго ориентированы против направления движения, т.е. их импульса. Значит, и здесь имеется корреляция sp, которая изменяет знак при инверсии координат. Наличие этой корреляции вновь свидетельствует о том, что в вероятности бета-распада есть псевдоскалярный член. В опытах, выполненных в ИТЭФ, была раскрыта физическая структура слабого взаимодействия [5], но об этом трудно (если вообще возможно) говорить без использования математического аппарата теории. Отметим, что в специальном эксперименте Алиханов и его коллеги доказали: процесс бета-распада инвариантен относительно обращения направления времени.
Схематическое изображение асимметрии углового распределения электронов бета-распада. s - единичный вектор спина ядра; p - единичный вектор импульса электрона; q - угол между этими векторами. Число вылетающих электронов, имеющих угол q, пропорционально величине 1 – (v/c)cosn), где v/c » 1 (v - скорость электронов, c - скорость света).
Это исключительно важный результат. Точность, с которой данный вывод был сделан, оставалась непревзойденной много лет. Из него следует, что если произвести инверсию координат - перейти в зазеркалье и одновременно заменить частицы на античастицы, то получится мир, который невозможно отличить от исходного. Однако много лет спустя физики показали, что у природы есть механизм (инструмент), который отслеживает направление времени. Но это уже другая история, мы же вернемся к событиям в ИТЭФ.
В 50-х годах в ИТЭФ дирекция решила начать проектирование и строительство ускорителей протонов на высокие энергии с так называемой жесткой фокусировкой. В СССР еще не было таких ускорителей. Их преимущество заключалось в том, что диаметр пучка резко уменьшается, а следовательно, уменьшаются размеры вакуумной камеры и габариты магнитов. Предполагалось построить два таких ускорителя: один на территории ИТЭФ - рассчитанный на энергию протонов 7 ГэВ - и второй - под Серпуховом (г.Протвино), самый крупный в мире в то время - на энергию 70 ГэВ. Ускоритель на территории ИТЭФ должен был сыграть роль модели большого ускорителя. Работы по расчету и проектированию ускорителей возглавил заместитель директора ИТЭФ В.В.Владимирский. В 1961 г. “малый” ускоритель начал работать. Большой ускоритель продолжали строить. С этого момента физика элементарных частиц становится ведущей тематикой научных исследований в ИТЭФ. Программа работ была составлена под руководством директора. Абрам Исаакович сам участвовал в первых работах, поставленных на ускорителе в ИТЭФ. Однако в тот момент, когда все дальнейшее развитие института было связано с использованием крупнейшего в мире ускорителя, этот ускоритель у ИТЭФ отобрали.
В жизни Алиханова было более чем достаточно тяжелых испытаний. Уже при строительстве промышленного реактора он испытал тяжелый сердечный приступ. В начале 50-х, в связи с “делом врачей”, Абраму Исааковичу пришлось сражаться за сотрудников своего института. В 1956 г., после XX съезда партии, молодые коммунисты ИТЭФ на партийном собрании выступили с резкими заявлениями, и партийную организацию ИТЭФ распустили. Пошли слухи о возможных репрессиях. Состоялся разговор А.И.Алиханова с Н.С.Хрущевым. Директор спас свой институт, хотя 10 человек исключили из партии и четверых из них пришлось уволить. И это далеко не все, однако обо всем не расскажешь. Но даже когда самой жизни Абрама Исааковича угрожала опасность, он так не переживал, как на этот раз, и организм не выдержал. Произошел тяжелый инсульт. В 1968 г. Абрам Исаакович подал в отставку, а в 1970 г. его не стало.
Более 30 лет прошло с тех пор, как ушел из жизни крупный ученый, организатор науки, смелый, мужественный человек. Уже почти никого не осталось из учеников Абрама Исааковича, но осталась школа, остался институт - детище Алиханова. Недавно ИТЭФ было присвоено имя его основателя.
А.И.Алиханов в своем рабочем кабинете. 1966 г.
Литература
1. Алиханов А.И., Арцимович Л.А. // ЖЭТФ. 1933. Т.3. С.115.
2. Алиханов А.И. Оптика рентгеновских лучей. Л., 1933.
3. Алиханов А.И. Избранные труды. М., 1975.
4. Гаспарян Б.Г., Гринберг А.П., Френкель В.Я. Абрам Исаакович Алиханов. Воспоминания, письма, документы. Л., 1989.
5. Алиханов А.И. Слабые взаимодействия. Новейшие исследования b-распада. М., 1960.
