Бруно Бенедетто Росси ( / ˈrɒs i / ; итал. [ ˈrossi] ; 13 апреля 1905 — 21 ноября 1993) был итало-американским физиком-экспериментатором . Он внес большой вклад в физику элементарных частиц и изучение космических лучей . Выпускник Болонского университета 1927 года , он заинтересовался космическими лучами. Чтобы изучить их, он изобрёл усовершенствованную электронную схему совпадений и отправился в Эритрею , чтобы провести эксперименты, которые показали, что интенсивность космических лучей с Запада была значительно больше, чем с Востока.
Вынужденный эмигрировать в октябре 1938 года из-за итальянских расовых законов , Росси переехал в Данию, где работал с Нильсом Бором . Затем он переехал в Великобританию, где работал с Патриком Блэкеттом в Манчестерском университете . Наконец, он отправился в Соединенные Штаты, где работал с Энрико Ферми в Чикагском университете , а затем в Корнеллском университете . Росси остался в Соединенных Штатах и стал гражданином Америки.
Во время Второй мировой войны Росси работал над радаром в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института и сыграл ключевую роль в Манхэттенском проекте , возглавив группу в Лос-Аламосской лаборатории , которая проводила эксперименты RaLa . После войны он был принят на работу Джерролдом Захариасом в Массачусетский технологический институт, где Росси продолжил свои довоенные исследования космических лучей.
В 1960-х годах он был пионером рентгеновской астрономии и физики космической плазмы . Его приборы на Explorer 10 обнаружили магнитопаузу , и он инициировал ракетные эксперименты, которые открыли Scorpius X-1 , первый внесолнечный источник рентгеновского излучения .
Росси родился в еврейской семье в Венеции , Италия . Он был старшим из трех сыновей Рино Росси и Лины Минерби. Его отец был инженером-электриком, который участвовал в электрификации Венеции. Росси обучался дома до четырнадцати лет, после чего он посещал Ginnasio и Liceo в Венеции. [1] После начала своего обучения в университете Падуи , он занялся передовой работой в университете Болоньи , где получил Laurea по физике в 1927 году. [2] Его научным руководителем был Квирино Майорана , [3] который был известным экспериментатором и дядей физика Этторе Майораны . [4]
В 1928 году Росси начал свою карьеру в Университете Флоренции , в качестве помощника Антонио Гарбассо , который основал Физический институт университета в 1920 году. [5] Он располагался в Арчетри , на холме с видом на город. Когда Росси прибыл, Гарбассо был подеста Флоренции, назначенным фашистским правительством Италии Бенито Муссолини . [6] Однако он привел в Институт группу блестящих физиков, среди которых были Энрико Ферми и Франко Разетти, прежде чем они переехали в Рим , а также Джильберто Бернардини, Энрико Персико и Джулио Рака . [5] В 1929 году первый аспирант Росси, Джузеппе Оккиалини , был удостоен докторской степени. [1]
В поисках новаторских исследований Росси обратил свое внимание на космические лучи , которые были открыты Виктором Гессом в пилотируемых полетах на воздушном шаре в 1911 и 1912 годах. В 1929 году Росси прочитал статью Вальтера Боте и Вернера Кольхёрстера , в которой описывалось их открытие заряженных частиц космических лучей, которые проникали на глубину 4,1 сантиметра (1,6 дюйма) в золото. [7] Это было поразительно, поскольку наиболее проникающими заряженными частицами, известными в то время, были электроны, образующиеся в результате радиоактивного распада , которые могли проникать менее чем на миллиметр в золото. По словам Росси, это
пришло как вспышка света, открывшая существование неожиданного мира, полного загадок, которые никто еще не начал исследовать. Вскоре моим непреодолимым желанием стало участие в исследовании. [8]
В 1954 году Боте был удостоен Нобелевской премии по физике «за метод совпадений и сделанные с его помощью открытия» за метод оценки совпадающих событий, который он реализовал до 1924 года. Однако его реализация этого метода была очень громоздкой, поскольку включала визуальную корреляцию сфотографированных импульсов. В течение нескольких недель после прочтения своей статьи с Кольхёрстером Росси изобрел усовершенствованную электронную схему совпадений , которая использовала триодные вакуумные лампы . [9] Схема совпадений Росси имеет два основных преимущества: она обеспечивает очень точное временное разрешение и может обнаруживать совпадения среди любого количества источников импульсов. Эти особенности позволяют идентифицировать интересные события, которые производят совпадающие импульсы в нескольких счетчиках. Эти редкие события выделяются даже при наличии высоких скоростей несвязанных фоновых импульсов в отдельных счетчиках. Схема не только послужила основой для электронных приборов в ядерной физике и физике элементарных частиц, но и реализовала первую электронную схему И , которая является фундаментальным элементом цифровой логики , повсеместно распространенной в современной электронике . [1] [10]
В то время усовершенствованная трубчатая версия оригинального счетчика Гейгера , изобретенного Гансом Гейгером в 1908 году, была только что разработана его учеником Вальтером Мюллером . Эти трубки Гейгера-Мюллера (трубки или счетчики Гейгера) сделали возможными исследования Боте. С помощью Оккиалини в создании трубок Гейгера и с помощью практической схемы совпадений Росси подтвердил и расширил результаты Боте, который пригласил его посетить Берлин летом 1930 года. Здесь, при финансовой поддержке, организованной Гарбассо, Росси сотрудничал в дальнейших исследованиях проникновения космических лучей. Он также изучал математическое описание Карлом Штёрмером траекторий заряженных частиц в магнитном поле Земли . [11] На основе этих исследований он понял, что интенсивность космических лучей, приходящих с восточных направлений, может отличаться от интенсивности лучей, приходящих с западных направлений. Из Берлина он представил первую статью, в которой предположил, что наблюдения этого эффекта восток-запад могут не только подтвердить, что космические лучи являются заряженными частицами, но и определить знак их заряда. [12]
Осенью 1931 года Ферми и Орсо Марио Корбино организовали в Риме международную конференцию по ядерной физике , спонсируемую Королевской академией Италии . Ферми пригласил Росси сделать вступительный доклад о космических лучах. Среди слушателей были Роберт Милликен и Артур Комптон , оба из которых получили Нобелевскую премию по физике в 1923 и 1927 годах соответственно. [1] В 1920-х годах Милликен, известный своим экспериментом с каплей масла , провел обширные измерения загадочного излучения, открытого Гессом. Он придумал название «космические лучи» и предположил, что это фотоны, созданные в результате синтеза водорода в межзвездном пространстве. Он был недоволен представлением доказательств того, что большинство наблюдаемых космических лучей являются энергичными заряженными частицами. Позже Росси писал:
Милликен был явно возмущен тем, что его любимую теорию разорвал на куски какой-то юнец, и с того момента он отказался признавать мое существование. (Оглядываясь назад, я должен признать, что мог бы быть более тактичным в своем выступлении.) [13]
Комптон, известный своим эффектом Комптона , отреагировал более позитивно, поскольку позже он сказал Росси, что этот разговор побудил его начать собственное исследование космических лучей. [13]
Сразу после Римской конференции Росси провел два эксперимента, которые привели к значительному прогрессу в понимании космических лучей. Оба включали тройные совпадения импульсов от трех счетчиков Гейгера; но в первом счетчики были выровнены и разделены свинцовыми блоками, а во втором они были размещены в треугольной конфигурации таким образом, что все три не могли быть пересечены одной частицей, движущейся по прямой линии. Результаты первой конфигурации продемонстрировали существование частиц космических лучей, способных проникать через 1 метр (3 фута 3 дюйма) свинца. [14]
При второй конфигурации, заключенной в свинцовый ящик, результаты показали, что некоторые космические лучи взаимодействуют в свинце, производя множественные вторичные частицы. В расширении второго эксперимента он измерил скорость тройных совпадений как функцию количества свинца над счетчиками. График этой скорости против толщины, который стал известен как кривая Росси, показал быстрый рост по мере увеличения слоя свинца, за которым последовал медленный спад. [15] Эти эксперименты показали, что космические лучи на уровне земли состоят из двух компонентов: «мягкого» компонента, который способен к плодовитой генерации множественных событий частиц, и «жесткого» компонента, который способен пересекать большие толщины свинца. В то время физическая природа обоих была загадкой, поскольку они еще не вписывались в растущий объем знаний о ядерной физике и физике элементарных частиц. [1] [16]
В конце 1931 года Росси организовал работу Оккиалини в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета с Патриком Блэкеттом , с которым он познакомился в Берлине. [17] С помощью новой техники электронных совпадений Оккиалини помог Блэкетту разработать первую камеру Вильсона с контролем счетчика , с помощью которой они подтвердили открытие позитрона Карлом Андерсоном [18] и пришли к выводу, что положительные электроны производятся вместе с отрицательными путем парного образования . [19] В некоторых событиях наблюдалось до 23 положительных и отрицательных электронов, которые были явно связаны с ливнями мягкой компоненты Росси. [20]
В 1932 году Росси выиграл конкурс на академическую должность в итальянском университете и был назначен профессором экспериментальной физики в Падуанском университете. Вскоре после прибытия Росси ректор попросил его курировать проектирование и строительство нового Физического института в Падуе. Хотя эта задача отвлекала его внимание от исследований и преподавания, он охотно согласился, и институт открылся в 1937 году. [21]
Несмотря на это отвлечение, Росси смог завершить в 1933 году эксперимент по эффекту восток-запад, который он начал до отъезда из Арчетри. Поскольку этот эффект более заметен вблизи экватора, он организовал экспедицию в Асмэру в Эритрее , которая тогда была итальянской колонией на Красном море на широте 15° с.ш. [22] Совместно с Серджио Де Бенедетти [23] он установил «телескоп космических лучей», который состоял из двух разделенных счетчиков Гейгера-Мюллера, совмещенных, ось максимальной чувствительности которых могла быть направлена в любом направлении. Вскоре стало очевидно, что интенсивность космических лучей с Запада была значительно больше, чем с Востока. Это означало, что был больший приток положительных первичных частиц, чем отрицательных. В то время этот результат был неожиданным, потому что большинство исследователей придерживались предвзятого мнения, что первичными будут отрицательные электроны. [1]
Как раз когда Росси покинул Эритрею, он получил известие о двух наблюдениях похожего эффекта восток-запад. Они были опубликованы в Physical Review . Одно было Томасом Х. Джонсоном, [24] а другое было Комптоном и его учеником Луисом Альваресом , которые сообщили о наблюдениях в Мехико , где широта составляет 19° с.ш. [25] Поскольку другие провели первую экспериментальную эксплуатацию его важной идеи 1930 года, Росси был разочарован, но опубликовал свои результаты сразу после возвращения в Падую. [26] Позже, совместно с Фредериком К. Хромеем, Альварес и Росси запатентовали «Устройство вертикального определения», которое использовало телескопы космических лучей. [27]
В Эритрее Росси открыл еще одно явление, которое станет основной темой его послевоенных исследований космических лучей: обширные ливни космических лучей . Открытие произошло во время испытаний по определению частоты случайных совпадений между счетчиками Гейгера его детектора. Чтобы гарантировать, что ни одна частица не сможет вызвать срабатывание счетчиков, он разместил их в горизонтальной плоскости. В этой конфигурации частота совпадений была больше, чем рассчитанная на основе индивидуальных частот и разрешающего времени схемы совпадений. Росси пришел к выводу, что:
... время от времени регистрирующее оборудование подвергается воздействию очень обширных ливней частиц, которые вызывают совпадения между счетчиками, даже расположенными на большом расстоянии друг от друга. [1]
В 1937 году Росси познакомился с Норой Ломброзо, дочерью Уго Ломброзо, профессора физиологии в Университете Палермо , и Сильвии Форти. Ее дед был известным врачом и криминологом Чезаре Ломброзо , а ее тети, Джина Ломброзо и Паола Ломброзо Каррара, были известными итальянскими писательницами и педагогами. В апреле 1938 года Бруно и Нора поженились и создали семью в Падуе. [1] [28]
Хотя Росси избегал политики, некоторые из его соратников были активными противниками фашистского государства . Например, он был наставником Эудженио Куриэля , который стал членом коммунистической партии , одновременно получая степень в Падуе. Позже, в 1943 году, Куриэл присоединился к сопротивлению в Милане, а в 1945 году был убит солдатами Республики Сало, немецкого марионеточного государства . Аналогичным образом, Этторе Панчини, получивший свою laurea при Росси в 1938 году, провел военные годы, чередуя исследования космических лучей и активное участие в итальянских движениях сопротивления в Падуе и Венеции. [29]
Из-за этих связей, а также потому, что оба Росси были евреями , они стали опасаться, как антисемитизм в Италии рос под влиянием нацистской Германии . В конце концов, в результате антиеврейских законов, вытекающих из Манифеста расы , Росси был уволен с должности профессора. [30] По его словам:
В конце концов, в сентябре 1938 года я узнал, что больше не являюсь гражданином своей страны и что в Италии моя деятельность как учителя и ученого подошла к концу. [31]
С этой неудачей [32] Росси начал важный этап своей карьеры. Он подвел итог этого периода в мемуарах: «Распад „мезотронов“ (1939–1943): экспериментальная физика элементарных частиц в эпоху невинности», которые он представил на симпозиуме в Фермилабе в 1980 году. [33] 12 октября 1938 года Росси уехал в Копенгаген , куда датский физик Нильс Бор пригласил его учиться. Пара не собиралась возвращаться в Италию, и Бор способствовал поиску Росси более надежного положения, спонсируя конференцию, в которой приняли участие ведущие физики. Он надеялся, что кто-нибудь из них найдет Росси работу, и вскоре Росси получил приглашение приехать в Манчестерский университет , где Блэкетт развивал крупный центр исследований космических лучей. После приятных двух месяцев в Дании Росси и Нора прибыли в Манчестер . [34]
Пребывание Росси в Манчестере было кратким, но продуктивным. В это время было доступно четкое понимание мягкой компоненты. В 1934 году Ганс Бете и Вальтер Гайтлер опубликовали количественное описание [35] не только производства электронно-позитронных пар энергичными фотонами, но и производства фотонов энергичными электронами и позитронами . [36] В Манчестере Росси сотрудничал с Людвигом Яноши в эксперименте, который продемонстрировал правильность теории Бете-Гайтлера второго процесса, которая еще не была полностью подтверждена. [37] Этот эксперимент также представил технику антисовпадений , которая стала повсеместной особенностью приборов для обнаружения и анализа энергичных частиц. [1]
К этому времени наблюдения в камере Вильсона прояснили природу жесткого компонента. В 1936 году Андерсон и его ученик Сет Неддермейер открыли частицы космических лучей с массой, промежуточной между массами электрона и протона, [38] которые Андерсон назвал «мезотронами». Мезотрон впоследствии стал известен как «μ-мезон», [39] что было сокращено до « мюон ». [1] Незадолго до Копенгагенской конференции Блэкетт предположил, что наблюдаемые изменения интенсивности космических лучей в зависимости от температуры атмосферы могут быть признаком того, что мезотроны нестабильны, [40] и он провел интенсивные дискуссии с Росси по этому вопросу. В результате Росси покинул Манчестер, полный решимости подтвердить их распад и измерить время жизни. [33]
С надвигающейся на Европу войной Блэкетт и другие посоветовали Росси покинуть Британию. Поэтому он написал Комптону, который пригласил его посетить летний симпозиум в Чикаго и намекнул, что работа может быть доступна. В июне 1939 года Росси отплыли в Нью-Йорк , где их встретили Ферми и его жена Лора , которые также покинули Италию из-за расовых законов. После краткого воссоединения с Ферми, Бете предложил Росси подвезти их до Чикаго. Они с благодарностью согласились и прибыли в Чикагский университет в середине июня 1939 года. [41]
Сразу после того, как сессия симпозиума по мезотронной нестабильности достигла консенсуса о необходимости более точных наблюдений, Росси и Комптон начали планировать эксперимент. Поскольку интенсивность жесткого компонента увеличивается с высотой, в то время как плотность воздуха уменьшается, Комптон предложил провести исследования на горе Блю-Скай в Колорадо , где он работал в начале 1930-х годов, и где доступ к исследовательскому участку на высоте 4310 метров (14 140 футов) обеспечивается живописной дорогой Маунт-Блю-Скай , самой высокой асфальтированной дорогой в Северной Америке. Он настоятельно рекомендовал Росси начать серию экспериментов тем летом, до того, как снег заблокирует дорогу, и для помощи привлек двух своих друзей, Нормана Хиллберри и Дж. Бартона Хоага, [42] [43] и студента Уинстона Бостика . Росси и его помощники спешно собрали оборудование и погрузили его в ветхий автобус, который Комптон одолжил на кафедре зоологии. [33]
К этому времени было известно, что основным процессом, посредством которого мезотроны теряют энергию, является потеря энергии ионизацией, которая описывается формулой Бете и пропорциональна массе на единицу площади пройденного слоя материала. Если бы это был единственный процесс, интенсивность жесткого компонента, проходящего через слой твердого материала, уменьшилась бы на ту же величину, что и в эквивалентном слое воздуха. Росси и его коллеги обнаружили, что уменьшение было значительно больше в атмосфере, чем в соответствующем слое твердого углерода. Поскольку расстояние, пройденное в воздухе, было намного больше, чем в углероде, они интерпретировали этот результат как доказательство распада мезотрона, и, принимая во внимание эффект релятивистского замедления времени , оценили его среднюю продолжительность жизни в состоянии покоя примерно в 2 микросекунды. [44]
Следующим летом Росси вернулся в Маунт-Эванс, где провел эксперименты около озера Эхо на высоте 3230 метров (10 600 футов). С использованием методов антисовпадений аппарат позволил измерить среднюю длину свободного пробега до распада двух групп мезотронов с разным средним импульсом. Результаты, опубликованные совместно с Дэвидом Б. Холлом, не только подтвердили пропорциональность между импульсом частицы и средней длиной свободного пробега мезотронов до распада, ожидаемую на основе теории относительности , но и представили улучшенную оценку времени жизни в состоянии покоя: (2,4±0,3) микросекунд. [45] Эти результаты и результаты предыдущего года были не только первыми, которые окончательно показали, что мезотроны нестабильны, но и первым экспериментальным подтверждением замедления времени движущихся часов, предсказанного теорией относительности. [1]
В Чикаго должность Росси в качестве научного сотрудника не была постоянной, и Комптон не смог обеспечить ему лучшую. В результате он начал поиск работы, во время которой он провел семинар в Корнеллском университете , где по совпадению смерть создала вакансию на физическом факультете. После того, как Бете предложил пригласить Росси на эту должность, он был назначен доцентом в Корнелле. Осенью 1940 года, вернувшись в Чикаго из Колорадо, Росси уехали в Итаку . [46]
В Корнелле Росси встретил своего первого американского аспиранта Кеннета Грейзена , с которым он написал статью «Теория космических лучей», опубликованную в Reviews of Modern Physics [47] и ставшую известной среди исследователей космических лучей как «Библия». [48] Летом 1941 года Грейзен и физики из Денвера и Боулдера сопровождали Росси в Маунт-Эванс, где они усовершенствовали знание пропорциональности между импульсом мезотрона и временем жизни до распада. [49] Грейзен и Росси также провели эксперименты, которые показали, с точки зрения процессов, описанных в «Библии», что не все частицы мягкой компоненты могут быть получены мезотронами жесткой компоненты. Они интерпретировали это как доказательство первичных электронов или фотонов, [50] но позже стало очевидно, что мягкий избыток возникает из-за распада нейтральных пионов . [1]
После экспедиции 1941 года в Колорадо Росси решил, что вопрос о том, распадаются ли мезотроны, решен. Однако он не был удовлетворен точностью, с которой было определено время жизни, поскольку существующие оценки зависели от массы мезотрона, которая не была точно известна. Чтобы выполнить более прямое измерение, он сконструировал аппарат для измерения временного интервала между прибытием мезотрона в поглотитель, где он останавливался, и испусканием электрона при распаде мезотрона. Для помощи он получил помощь аспиранта Норриса Нересона. В основе их эксперимента лежал «хронометр», представлявший собой электронную схему, которая производила импульс, высота которого была точно пропорциональна временному интервалу, и который можно было записать, сфотографировав след осциллографа . [51]
Это был первый преобразователь времени в амплитуду , еще один вклад Росси в электронные методы экспериментальной физики. С поглотителями из свинца и латуни число распадов было построено в зависимости от времени. Эти кривые распада имели ту же экспоненциальную форму , что и у обычных радиоактивных веществ , и давали среднее время жизни 2,3±0,2 микросекунды, [52] которое позже было уточнено до 2,15±0,07 микросекунды. [53] После войны Росси обнаружил, что его итальянские коллеги, Марчелло Конверси и Оресте Пиччони , провели эксперименты, очень похожие на его, и измерили время жизни, согласующееся с его результатом. [54] [55]
Оглядываясь на то, что он называл «Эпохой невинности», Росси писал:
Как возможно, что результаты, касающиеся фундаментальных проблем физики элементарных частиц, могли быть достигнуты с помощью экспериментов почти детской простоты, стоимостью всего в несколько тысяч долларов и требующей лишь помощи одного или двух аспирантов? [33]
Завершив работу над мезотронами, Росси обратил свое внимание на военные нужды. В 1942 году, во время поездки из Итаки в Кембридж, штат Массачусетс , он стал консультантом по разработке радаров в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института . Здесь, вместе с Грейзеном, он изобрел «схему слежения за дальностью», которая была запатентована после войны. [56]
В начале июля 1943 года Бете пригласил Росси присоединиться к Манхэттенскому проекту . В течение месяца он прибыл на службу в Лос-Аламосскую лабораторию . Несколько недель спустя Нора и их трехлетняя дочь Флоренс присоединились к Росси в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико . Директор лаборатории Роберт Оппенгеймер попросил Росси сформировать группу для разработки диагностических приборов, необходимых для создания атомной бомбы. [57] Вскоре он понял, что уже существует группа с похожей миссией во главе со швейцарским физиком Гансом Х. Штаубом. Они решили объединить свои усилия в одну «Группу детекторов». Им помогали около двадцати молодых исследователей, [58] включая Мэтью Сэндса, «электронного волшебника», который позже получил докторскую степень под руководством Росси, и Дэвида Б. Никодемуса , которого Штауб привел из Стэнфордского университета , который был экспертом по детекторам частиц. [59]
Разработка бомбы потребовала больших детекторов ионизирующего излучения, реакция которых пропорциональна энергии, выделяемой в детекторе, и следует за быстрыми изменениями интенсивности излучения. С самых ранних исследований радиоактивности излучение измерялось с точки зрения ионизации , но существующие ионизационные камеры медленно реагировали на изменения. Чтобы решить эту проблему, Росси и Штауб провели тщательный анализ импульсов, которые возникают, когда отдельные заряженные частицы создают ионы в ионизационной камере. [60] Они поняли, что высокая подвижность свободных электронов, удаленных из ионизированных атомов, означает, что импульсы, производимые отдельными частицами, могут быть очень короткими. Вместе с Джеймсом С. Алленом Росси нашел газовые смеси с высокой подвижностью электронов и низким присоединением электронов . [61] На основе этих исследований Аллен и Росси изобрели «быструю ионизационную камеру», которую они запатентовали после войны. [62] Это стало решающим фактором успеха Манхэттенского проекта и стало широко использоваться в послевоенных исследованиях физики элементарных частиц. [58]
В апреле 1944 года Манхэттенский проект пережил кризис, когда группа Эмилио Сегре обнаружила, что плутоний, произведенный в реакторах, не будет работать в плутониевом оружии пушечного типа, таком как « Худой человек ». В ответ Оппенгеймер полностью реорганизовал лабораторию, чтобы сосредоточиться на разработке оружия имплозивного типа . [63]
Росси был привлечен для внедрения метода тестирования различных конструкций оружия, чтобы прийти к тому, который производил бы точно симметричную сферическую имплозию. [64] Тесты измеряли изменения поглощения гамма-лучей в металлической сфере, когда она подвергалась имплозивному сжатию. [65] Гамма-лучи испускались гранулой короткоживущего радиоизотопа лантана-140, расположенной в центре сферы. Термин RaLa experimental является сокращением от Ra dioactive La nthanum. По мере сжатия быстрое увеличение поглощения было обнаружено как уменьшение интенсивности гамма-лучей, зарегистрированной за пределами сборки. [66]
Эксперименты RaLa выявили множество ловушек на пути к успешному взрыву. [65] Чтобы понять проблемные струи , которые мешали ранним проектам взрывов, были необходимы другие методы испытаний, но эксперименты RaLa сыграли первостепенную роль в разработке взрывных линз . В своей истории проекта Лос-Аламоса Дэвид Хокинс писал: «RaLa стал самым важным отдельным экспериментом, повлиявшим на окончательный дизайн бомбы». [67]
16 июля 1945 года на полигоне Тринити близ Аламогордо, штат Нью-Мексико , было взорвано плутониевое устройство имплозивного типа . Кодовое название этого устройства было « Гаджет », и его конструкция была очень похожа на оружие «Толстяк» , сброшенное на Нагасаки двадцать четыре дня спустя. [68]
В рамках подготовки к Тринити Росси разработал приборы для регистрации гамма-излучения во время цепной реакции, продолжительность которой, как ожидалось, должна была составлять около 10 наносекунд. Наблюдения в этом временном масштабе были почти за пределами современного уровня техники в 1945 году, но Росси спроектировал и построил большую цилиндрическую ионизационную камеру, скорость реакции которой была достаточной, поскольку ее коаксиальные электроды были разделены узким зазором всего в 1 сантиметр (0,39 дюйма). [68]
Для записи сигнала он установил очень быстрый осциллограф, предоставленный в качестве прототипа DuMont Laboratories , в подземном бункере в нескольких сотнях футов от Gadget, где он был сфотографирован. Чтобы доставить сигнал к осциллографу, он разработал увеличенную коаксиальную линию передачи , внутренний проводник которой становился меньше по мере продвижения от камеры к осциллографу. Поскольку эта конфигурация усиливала сигнал, достигающий осциллографа, не было необходимости в усилении. Чтобы подтвердить это удивительное поведение, Росси проконсультировался с профессором Гарварда Эдвардом Перселлом . [68] [69]
Через несколько дней после испытания Росси отправился в темную комнату с Ферми, и до того, как недавно проявленная пленка высохла, они смогли вычислить начальную скорость роста ядерной активности, что было важнейшей информацией для будущей разработки оружия. Из трех попыток измерить эту скорость в Тринити, попытка Росси была единственной, которая полностью увенчалась успехом. [70]
С успехом Манхэттенского проекта и Радиационной лаборатории Массачусетский технологический институт вступил в новую эру « большой науки », финансируемой правительством США. [71] Расширение MIT в области ядерной физики возглавил Джерролд Р. Захариас , который отправился в Лос-Аламос в конце войны и нанял Вики Вайскопф и Росси в качестве профессоров MIT. [72] Росси покинул Лос-Аламос и переехал в Кембридж 6 февраля 1946 года. [73]
В новой Лаборатории ядерной науки , возглавляемой Захариасом, Росси был делегирован для создания исследовательской группы космических лучей в Массачусетском технологическом институте. Чтобы помочь, он нанял четырех молодых ученых, которые были в Лос-Аламосе в качестве кандидатов на получение степени доктора философии: Герберта Бриджа, Мэтью Сэндса, Роберта Томпсона и Роберта Уильямса. Двое, которые были в Радиационной лаборатории, также пришли работать с ним: Джон Тинлот и Роберт Халсизер. Все шестеро были более зрелыми, чем типичные аспиранты, поскольку у них было несколько лет опыта исследований военного времени. Следовательно, им выплачивалась стипендия, аналогичная стипендии постдокторанта , которая финансировалась Управлением военно-морских исследований и позволяла им поддерживать семьи во время их аспирантуры. [74]
Для этого нового этапа своей деятельности Росси кардинально изменил подход. По его словам:
На новой должности моя деятельность будет сильно отличаться от того, что было в прошлые годы. Затем, работая в одиночку или, самое большее, с помощью нескольких студентов, я буду строить приборы, отвозить их в то место, где их нужно будет использовать, проводить измерения и анализировать результаты. Теперь на мне лежала ответственность за целую группу, и значение имела не моя собственная работа, а работа группы. Моя задача состояла в том, чтобы определить наиболее перспективные исследовательские программы среди тех, которые были в пределах нашей досягаемости, помочь там, где требовалась помощь в планировании приборов или в оценке экспериментальных результатов, и все это без подавления индивидуальной инициативы исследователей. [75]
С открытием пиона в 1947 году поиск новых элементарных частиц стал популярной темой исследований. [76] Управляя камерами быстрой ионизации внутри камеры Вильсона, Герберт показал, что всплески ионизации, которые они зарегистрировали, были в основном вызваны относительно низкоэнергетическими космическими лучами, ядерные взаимодействия которых обычно включают выброс нескольких сильно ионизирующих ядерных фрагментов . На основе этого эффекта он и Росси продемонстрировали, что поведение этих взаимодействий похоже на поведение проникающих ливней. [77] [78]
Группа Росси сосредоточилась на использовании камер Вильсона для изучения их свойств и взаимодействий. В 1948 году с помощью многопластинчатой камеры Вильсона, в которой свинцовые пластины чередовались с алюминиевыми, Грегори, Росси и Тинло показали, что источником электромагнитной составляющей взаимодействий космических лучей были преимущественно энергичные фотоны, а не электроны. [79] Этот результат подтвердил предположение Оппенгеймера 1947 года о том, что нейтральные пионы образуются во взаимодействиях вместе с заряженными, и что эта составляющая возникает в результате их быстрого распада на фотоны. [80]
Для изучения новых элементарных частиц Бридж и Мартин Аннис использовали большую прямоугольную многопластинчатую камеру Вильсона в Эхо-Лейк. [81] Это исследование легло в основу докторской диссертации Анниса 1951 года под руководством Росси. В следующем году эти авторы вместе с другим студентом Росси, Станиславом Ольбертом, [82] показали, как извлекать информацию об энергиях частиц из измерений их многократного рассеяния . Это добавило еще один способ использования камер Вильсона для измерения свойств элементарных частиц. [83] В начале 1953 года Росси вместе с Бриджем, Ричардом Саффордом и Шарлем Пейру опубликовал результаты всестороннего исследования элементарных частиц, которые стали известны как каоны, в камере Вильсона . [84] Пейру был гостем в Политехнической школе , где он получил точное значение массы мюона в 1947 году, [85], а Саффорд был студентом Росси. [84]
К 1952 году был зарегистрирован ошеломляющий «зоопарк» элементарных частиц с различными массами, схемами распада, номенклатурой и надежностью идентификации. Чтобы справиться с этой ситуацией, Блэкетт и Лепренс-Ринге организовали Международную конференцию по космическим лучам в Баньер-де-Бигор в 1953 году . [86] По словам Джеймса Кронина , «эту конференцию можно отнести по важности к той же категории, что и две другие известные конференции: Сольвеевский конгресс 1927 года и конференция на острове Шелтер 1948 года». [87]
Лепренс-Ренге попросил Росси дать резюме новой информации, представленной на конференции, и предложить номенклатуру для новых частиц. Перед конференцией, в ответ на последнее задание, Росси распространил предложение, чтобы частицы с массой, меньшей массы нейтрона, обозначались строчными греческими буквами , а те, у которых масса больше, обозначались заглавными греческими буквами. В своем докладе 11 июля 1953 года он сообщил, что результаты конференции, которые он собрал с помощью Пауэлла и Фреттера, [88] согласуются с этой схемой, которая впоследствии широко использовалась. [87]
Изюминкой стало заявление Лепренса-Ренге в его заключительной речи о том, что: «...в будущем мы должны использовать ускорители частиц». Поскольку 3-ГэВ-ный космотрон уже действовал в Брукхейвенской национальной лаборатории , это заявление отражало консенсус среди участников. [87] В результате группа Росси начала сворачивать свои эксперименты в камере Вильсона. Однако в 1954 году Бридж, Ганс Курант, Герберт ДеСтэблер-младший и Росси сообщили о необычном событии, в котором останавливающаяся однозарядная частица распалась на три фотона, общая энергия которых превышала энергию покоя протона. Это признак аннигиляции антипротона . [89] [90] В следующем году группа под руководством Оуэна Чемберлена и Эмилио Сегре обнаружила антипротоны, [91] за что они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1960 году. [92]
Ко времени конференции в Баньер-де-Бигор Росси уже обратил свое внимание на астрофизические последствия явлений космических лучей, в частности, обширных атмосферных ливней. После того, как Росси в Эритрее признал, что эти события существуют, их активно изучали Пьер Оже [ 93] и Уильямс [94] . В это время чрезвычайно быстрый отклик недавно разработанных сцинтилляционных счетчиков открыл новый способ изучения структуры атмосферных ливней. Для этого Росси привлек своего студента Джорджа У. Кларка , который получил докторскую степень в 1952 году, и Пьеро Басси, который был гостем из Падуанского университета. Поскольку твердый сцинтилляционный материал был недоступен, они решили использовать терфенил, растворенный в бензине , который является эффективным жидким сцинтиллятором . С помощью трех счетчиков, размещенных на крыше физического корпуса Массачусетского технологического института зимой 1952/53 года, они обнаружили, что частицы ливня прибывали на расстояние всего одного или двух метров от диска, который двигался почти со скоростью света в направлении оси ливня. [95]
Этот результат показал, что сцинтилляционные счетчики могут не только определять время прибытия ливневых дисков на многие детекторы, разбросанные по большой площади, но и оценивать количество частиц, попадающих на каждый детектор. Эти возможности объединяют метод «быстрого определения времени» определения направлений прибытия ливней с методом выборки плотности для определения их размера и расположения их осей. [96]
С этим прогрессом группа Росси начала крупный эксперимент, который мог бы измерять как первичные энергии, так и направления прибытия обширных атмосферных ливней. В этих усилиях участвовали: Джордж Кларк, Уильям Краушар, [97] Джон Линсли , Джеймс Эрл и Фрэнк Шерб. Краушар пришел в MIT из Корнелла в 1949 году, после получения докторской степени под руководством Кеннета Грейзена. При поддержке профессора Дональда Мензеля , который был директором обсерватории Гарвардского колледжа , группа Росси разместила пятнадцать жидких сцинтилляторов площадью 1 квадратный метр (11 квадратных футов) на лесистой территории станции обсерватории Агассиц . Сигналы передавались по кабелям в хижину Квонсет , где они отображались на пятнадцати осциллографах и записывались фотографически. [96]
Вскоре после того, как эксперимент начал регистрировать данные о ливне, молния воспламенила горючую жидкость одного из счетчиков. Местные пожарные быстро потушили возникший пожар, прежде чем он распространился на близлежащие деревья, которые были залиты дождевой водой. Поскольку деревья играли важную роль в подавлении атмосферной конвекции, которая могла бы ухудшить телескопические наблюдения, Гарвард и Массачусетский технологический институт вели напряженные переговоры, пока не была установлена сложная система противопожарной защиты, и эксперименту не разрешили возобновиться. [96] Чтобы устранить угрозу пожара, Кларк, Фрэнк Шерб и Уильям Б. Смит создали «фабрику», которая производила негорючие пластиковые сцинтилляционные диски, толщина которых составляла 10 сантиметров (3,9 дюйма) и диаметр которых составлял приблизительно 1 метр (3 фута 3 дюйма). [98]
После перехода на пластик в конце весны 1956 года эксперимент продолжался непрерывно. Его результаты были опубликованы в Nature [99] и Physical Review . [100] Наиболее важные результаты были суммированы Росси следующим образом:
- Точное измерение плотности частиц ливня в зависимости от расстояния от центра ливня.
- Измерение энергетического спектра первичных частиц, ответственных за ливни, от 10 15 электрон-вольт до 10 18 электрон-вольт.
- Доказательство того, что эти частицы прибывают практически в равном количестве со всех направлений.
- Наблюдение частицы с энергией, близкой к 10 19 электрон-вольт. [101]
Когда эксперимент Агассиса подошел к концу, группа поняла, что наблюдения вблизи экватора и в южном полушарии необходимы для расширения их вывода о том, что направления прибытия атмосферных ливней почти изотропны. Следовательно, Кларк в сотрудничестве с Викрамом Сарабхаи провел свой меньший эксперимент в Кодайканале , Индия, на широте 10° с.ш., и подтвердил отсутствие анизотропии. [102] Позже, по предложению Исмаэля Эскобара, [103] оборудование Агассиса было перемещено в Эль-Альто на высоту 4200 метров на Боливийском плато на 16° ю.ш. Здесь Кларк, Эскобар и Хуан Херсиль не обнаружили анизотропии, но они показали, что структура атмосферных ливней при их максимальном развитии отличается от структуры на уровне моря. [104]
Максимальная энергия частицы, зарегистрированная в эксперименте Агассиса, 10 19 электрон-вольт, близка к энергиям, за пределами которых заряженные частицы не могут быть ограничены галактическим диском типичными межзвездными магнитными полями 10 −5 гаусс . Для обнаружения ливней с такими энергиями необходима детекторная решетка очень больших размеров. Джон Линсли согласился взять на себя ответственность за создание такой решетки. [96] Он пришел в Массачусетский технологический институт в 1954 году из Университета Миннесоты , где он защитил докторскую диссертацию под руководством Эдварда П. Нея . Вскоре к нему присоединился Ливио Скарси, которого Росси нанял из группы Оккиалини в Миланском университете . [105]
Поскольку вблизи Бостона не было достаточно большого участка открытой земли, массив был построен на полупустынной территории, известной как Volcano Ranch , примерно в 16 милях (26 км) к западу от Альбукерке, штат Нью-Мексико , на высоте 1770 метров (5810 футов). В течение 1957 и 1958 годов Линсли и Скарси разместили 19 сцинтилляционных счетчиков, которые использовали флуоресцентные пластиковые диски, похожие на диски детекторов Агассиса, за исключением того, что каждый счетчик включал четыре диска, просматриваемых четырьмя фотоумножителями. Первоначально площадь массива составляла 2,5*10 6 м 2 , что следует сравнить с 10 5 м 2 Агассиса , но в 1960 году, после того как Скарси вернулся в Милан , Линсли распределил детекторы на площади 10 7 м 2 . [96]
Результаты эксперимента Volcano Ranch показали, что интенсивность космических лучей плавно уменьшается с энергией от 10 17 до 10 18 электрон-вольт. [106] и что первичные частицы в этом диапазоне приходят изотропно. [107] Особое значение имело обнаружение одиночной частицы, энергия которой 10 20 электрон-вольт больше, чем максимальная энергия, которая может удерживаться в галактическом диске галактическими магнитными полями. [108] Частицы с такими энергиями могут возникать только в галактическом гало или за пределами галактики , и их существование не согласуется с пределом Грейзена-Зацепина-Кузьмина . [109]
4 октября 1957 года Советский Союз запустил первый искусственный спутник Земли , Спутник-1 . Это событие положило начало кризису Спутника , «волне почти истерии» [110] среди удивленной американской общественности. [110] В ответ на это правительство США увеличило финансирование Национального научного фонда , а в 1958 году создало как Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), так и Агентство перспективных исследовательских проектов , которое в 1972 году было переименовано в Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA). [111] 4 июня 1958 года, через два дня после внесения законодательства о создании НАСА, Детлев В. Бронк , председатель Национальной академии наук , встретился с главами этих трех агентств, чтобы создать новый консультативный орган, Совет по космической науке, для предоставления консультаций по расширению космических исследований и обеспечения того, чтобы финансирование фундаментальной науки было должным образом подчеркнуто. [112]
Совет собрался на свое первое заседание 27 июня 1958 года. Только четыре члена уже были заняты в космических исследованиях: Росси, Лео Голдберг , Джон Симпсон и Джеймс Ван Аллен . [112] Росси сформировал подкомитет, в который вошли Томас Голд , Филип Моррисон и биолог Сальвадор Лурия , которые согласились, что исследования плазмы в межпланетном пространстве были бы желательны. Следовательно, Росси решил направить усилия своей группы на ее изучение. [113] С Гербертом Бриджем Росси разработал и испытал плазменный зонд на основе классического цилиндра Фарадея . Однако, чтобы усилить реакцию прибора на положительно заряженные протоны и подавить его реакцию на фотоэлектроны, производимые солнечным светом, внутри цилиндра были развернуты четыре сетки. Ключевым нововведением было модулирующее напряжение, приложенное к одной из сеток, которое преобразовывало сигнал в переменный ток , пропорциональный потоку протонов и не загрязненный каким-либо вкладом фотоэлектронов. [114]
После интенсивного лоббирования Гомера Ньюэлла , заместителя директора NASA по космическим программам, Росси добился возможности полета на Explorer 10 , « первом спутнике, созданном Годдардом ». [115] Необъявленной целью было достижение Луны, но после запуска 25 марта 1961 года спутник вышел на сильно вытянутую орбиту вокруг Земли, апогей которой , на 70% расстояния до Луны, был значительно меньше этой цели. [116]
Тем не менее, в течение 52 часов данных, записанных зондом MIT до того, как закончился заряд батареи, группа Росси обнаружила переход между двумя различными областями вокруг Земли. Вблизи Земли были довольно сильные и хорошо организованные магнитные поля, но никаких признаков межпланетных протонов. На расстоянии 22 радиусов Земли космический корабль вошел в область, где магнитные поля были слабее и более нерегулярными, и где наблюдался значительный поток протонов, исходящий из общего направления на Солнце. Несколько раз в течение оставшейся части полета этот поток исчезал, а затем снова появлялся, что указывало на то, что космический корабль летел близко к границе между двумя областями и что эта граница двигалась нерегулярно. [116] В конце концов, эта граница стала известна как магнитопауза . [117] [118]
Под руководством Бриджа и Росси в группу по исследованию космической плазмы Массачусетского технологического института входили Фрэнк Шерб, Эдвин Лион, Алан Лазарус, Альберто Боннетти, Альберто Эгиди, Джон Белчер и Констанс Дилворт, жена Оккиалини. [113] Чаши Фарадея собирали данные о плазме по всей Солнечной системе: около Земли на OGO-1, OGO 3 и IMP 8, [119] в межпланетном пространстве на WIND , а также в гелиосфере и гелиооболочке на Voyager 1 и Voyager 2. [ 120]
Будучи консультантом American Science and Engineering, Inc. , Росси инициировал ракетные эксперименты, которые открыли первый внесолнечный источник рентгеновского излучения , Scorpius X-1 . [121] В 1966 году Росси стал профессором Массачусетского технологического института . [122]
Росси вышел на пенсию из Массачусетского технологического института в 1970 году. С 1974 по 1980 год он преподавал в Университете Палермо. На пенсии он написал ряд монографий и автобиографию 1990 года « Моменты в жизни ученого» , опубликованную издательством Cambridge University Press . Он умер от остановки сердца у себя дома в Кембридже 21 ноября 1993 года. У него остались жена Нора, дочери Флоренс и Линда и сын Фрэнк. [122] Он был кремирован, и его прах находится на кладбище церкви Сан-Миниато-аль-Монте , с которой открывается вид на Флоренцию и холм Арчетри. [123]
в
Рождении физики элементарных частиц
.
ISBN
0-521-24005-0
Первоначально опубликовано как Los Alamos Report LAMS-2532
NSSDC: 1961-010A-02; Версия 4.0.21
