Бруно Росси - Bruno Rossi
Бруно Бенедетто Росси | |
|---|---|
 | |
| Родился |
13 апреля 1905 г. |
| Умер | 21 ноября 1993 г. (88 лет)
Кембридж, Массачусетс , США
|
| Национальность | Итальянский |
| Гражданство | Итальянец , американец (после 1943 г.) |
| Альма-матер | Болонский университет |
| Супруг (а) | Нора Ломброзо |
| Награды |
Медаль Эллиота Крессона (1974 г.) Национальная медаль науки (1983 г.) Премия Вольфа по физике (1987 г.) Медаль Маттеуччи (1991 г.) |
| Научная карьера | |
| Учреждения |
Флорентийский университет Падуанский университет Манчестерский университет Чикагский университет Корнельский университет Массачусетский технологический институт |
| Докторант | Кирино Майорана |
| Докторанты |
Джузеппе Оккиалини Кеннет Грейзен Мэтью Сэндс Бернард Грегори Джордж Кларк Яш Пал |
| Подпись | |
 | |
Бруно Бенедетто Росси ( / г ɒ ев я / ; итальянский: [Rossi] ; 13 апреля 1905 - 21 ноября 1993) был итальянский физик - экспериментатор . Он внес большой вклад в физику элементарных частиц и изучение космических лучей . Выпускник 1927 года Болонского университета , он заинтересовался космическими лучами. Чтобы изучить их, он изобрел усовершенствованную схему электронных 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 . В конце концов он уехал в США, где работал с Энрико Ферми в Чикагском университете , а затем в Корнельском университете . Росси остался в Соединенных Штатах и стал гражданином США.
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 лаборатории Лос-Аламоса, которая проводила эксперименты RaLa . После войны он был завербован Джерролдом Захариасом в Массачусетском технологическом институте, где Росси продолжил свои довоенные исследования космических лучей.
В 1960-х он стал пионером рентгеновской астрономии и физики космической плазмы . Его приборы на Explorer 10 обнаружили магнитопаузу , и он инициировал ракетные эксперименты, в ходе которых был обнаружен Scorpius X-1 , первый внесолнечный источник рентгеновских лучей .
Италия
Росси родился в еврейской семье в Венеции , Италия . Он был старшим из трех сыновей Рино Росси и Лины Минерби. Его отец был инженером-электриком, участвовавшим в электрификации Венеции. Росси обучался дома до четырнадцати лет, после чего он посещал Ginnasio и Liceo в Венеции. После начала учебы в Падуанском университете он продвигался вперед в Болонском университете , где в 1927 году получил Лаурею по физике. Его научным руководителем был Квирино Майорана , известный экспериментатор и дядя ученого физик Этторе Майорана .
Флоренция
В 1928 году Росси начал свою карьеру во Флорентийском университете в качестве ассистента Антонио Гарбассо , основавшего университетский Физический институт в 1920 году. Он располагался в Арчетри , на холме с видом на город. Когда Росси прибыл, Garbasso был Подеста во Флоренции, назначенный Бенито Муссолини «s фашистского правительства Италии. Однако он привел в Институт группу блестящих физиков, в которую входили Энрико Ферми и Франко Разетти до их переезда в Рим , а также Жильберто Бернардини , Энрико Персико и Джулио Рака . В 1929 году Джузеппе Оккиалини , первый аспирант Росси , получил докторскую степень.
В поисках новаторских исследований Росси обратил свое внимание на космические лучи , которые были обнаружены 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 частицы космических лучей, прошедшие через 4,1 сантиметра (1,6 дюйма) золота. Это было удивительно, поскольку наиболее проникающими заряженными частицами, известными в то время, были электроны радиоактивного распада , которые могли проникать менее миллиметра золота. По словам Росси, это
пришла, как вспышка света, открывая существование неожиданного мира, полного загадок, который никто еще не начал исследовать. Вскоре мое непреодолимое желание стало участвовать в исследовании.
Схема совпадений Росси
В 1954 году Боте был удостоен Нобелевской премии по физике «за метод совпадений и его открытия, сделанные с его помощью» за метод оценки совпадающих событий, который он реализовал до 1924 года. корреляция сфотографированных импульсов. В течение нескольких недель после прочтения своей статьи с Кольхёрстером Росси изобрел усовершенствованную схему электронных совпадений , в которой использовались триодные электронные лампы . Схема совпадений Росси имеет два основных преимущества: она предлагает очень точное временное разрешение и может обнаруживать совпадения среди любого количества источников импульсов. Эти особенности позволяют идентифицировать интересные события, которые производят совпадающие импульсы на нескольких счетчиках. Эти редкие события выделяются даже при наличии высоких частот несвязанных фоновых импульсов в отдельных счетчиках. Схема не только послужила основой для электронных приборов в ядерной физике и физике элементарных частиц, но также реализовала первую электронную схему И , которая является фундаментальным элементом цифровой логики , широко распространенной в современной электронике .
В то время улучшенная трубчатая версия оригинального счетчика Гейгера , изобретенная Гансом Гейгером в 1908 году, была только что разработана его учеником Вальтером Мюллером . Эти трубки Гейгера – Мюллера (трубки или счетчики ГМ) сделали возможными исследования Боте. С помощью Оккиалини в создании ламп GM и с помощью схемы практических совпадений Росси подтвердил и расширил результаты Боте, который пригласил его посетить Берлин летом 1930 года. Здесь при финансовой поддержке, организованной Гарбассо, Росси участвовал в дальнейших исследованиях проникновения космических лучей. Он также изучил математическое описание Карла Стёрмера траекторий заряженных частиц в магнитном поле Земли . На основе этих исследований он понял, что интенсивность космических лучей, приходящих с восточного направления, может отличаться от интенсивности западных. Из Берлина он представил первый документ, в котором предполагалось, что наблюдения этого эффекта восток-запад могут не только подтвердить, что космические лучи являются заряженными частицами, но также определить знак их заряда.
Римская конференция
Осенью 1931 года Ферми и Орсо Марио Корбино организовали в Риме международную конференцию по ядерной физике , которую спонсировала Королевская академия Италии . Ферми пригласил Росси выступить с вводным докладом о космических лучах. В зале присутствовали Роберт Милликен и Артур Комптон , получившие Нобелевскую премию по физике в 1923 и 1927 годах соответственно. В течение 1920-х годов Милликен, известный своим экспериментом с каплей масла , провел обширные измерения таинственного излучения, открытого Гессом. Он придумал название «космические лучи» и предположил, что это фотоны, созданные синтезом водорода в межзвездном пространстве. Ему не понравилось представление доказательств того, что большинство наблюдаемых космических лучей являются энергичными заряженными частицами. Позже Росси писал:
Милликен явно возмущался, что его любимую теорию разорвал на части простой юноша, настолько, что с этого момента он отказывался признавать мое существование. (Оглядываясь назад, я должен признать, что мог бы быть более тактичным в своей презентации.)
У Комптона, известного благодаря эффекту Комптона , была более положительная реакция, поскольку он позже сказал Росси, что выступление побудило его начать собственное исследование космических лучей.
Кривая Росси
Сразу после Римской конференции Росси провел два эксперимента, которые привели к значительному прогрессу в понимании космических лучей. Оба были связаны с тройным совпадением импульсов от трех счетчиков Гейгера; но в первом счетчики были выровнены и разделены свинцовыми блоками, а во втором они были расположены в треугольной конфигурации, так что все три не могли пройти через одну частицу, движущуюся по прямой линии. Результаты первой конфигурации продемонстрировали существование частиц космических лучей, способных проникать через 1 метр (3 фута 3 дюйма) свинца.
Со второй конфигурацией, заключенной в свинцовую коробку, результаты показали, что некоторые космические лучи взаимодействуют, образуя несколько вторичных частиц. В продолжение второго эксперимента он измерил частоту тройных совпадений в зависимости от количества свинца над счетчиками. График зависимости этой скорости от толщины, который стал известен как кривая Росси, показывает быстрый рост по мере увеличения свинцового слоя, за которым следует медленное снижение. Эти эксперименты показали, что космические лучи на уровне земли состоят из двух компонентов: «мягкого» компонента, способного генерировать множество событий с множеством частиц, и «жесткого» компонента, способного проходить через свинец большой толщины. В то время физическая природа обоих была загадкой, поскольку они еще не вписывались в растущий объем знаний о ядерной физике и физике элементарных частиц.
В конце 1931 года Росси организовал Оккилиани работать в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете с Патриком Блэкеттом , которого он встретил в Берлине. С помощью новой техники электронного совпадения Оккиалини помог Блэкетту разработать первую камеру Вильсона с противоуправлением , с помощью которой они подтвердили открытие Карла Андерсона позитрона и пришли к выводу, что положительные электроны образуются вместе с отрицательными парами. производство . В некоторых событиях наблюдалось до 23 положительных и отрицательных электронов, которые явно были связаны с ливнями мягкой компоненты Росси.
Падуя
В 1932 году Росси выиграл конкурс на академическую должность в итальянском университете и был назначен профессором экспериментальной физики в Падуанском университете. Вскоре после приезда Росси ректор попросил его руководить проектированием и строительством нового Физического института в Падуе. Хотя эта задача отвлекла его внимание от исследований и преподавания, он охотно выполнил, и институт открылся в 1937 году.
Эффект Восток-Запад
Несмотря на это отвлечение, Росси смог завершить в 1933 году эксперимент по эффекту восток-запад, который он начал перед отъездом из Арчетри. Поскольку этот эффект более заметен около экватора, он организовал экспедицию в Асмэру в Эритрее , которая тогда была итальянской колонией на Красном море на широте 15 ° северной широты. Вместе с Серджио де Бенедетти он установил «телескоп космических лучей». ", который состоял из двух разделенных на совпадение счетчиков GM, 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 приток положительных первичных частиц был больше, чем отрицательных. В то время этот результат был удивительным, потому что большинство исследователей придерживалось предвзятого мнения, что первичными цветами будут отрицательные электроны.
Когда Росси покинул Эритрею, он получил новости о двух наблюдениях аналогичного эффекта восток-запад. Они были опубликованы в Physical Review . Один был Томасом Х. Джонсоном, а другой - Комптоном и его учеником Луисом Альваресом , которые сообщили о наблюдениях в Мехико , где широта 19 ° северной широты, потому что другие провели первое экспериментальное использование его важной идеи 1930 Росси был разочарован, но опубликовал свои результаты сразу после возвращения в Падую. Позже, вместе с Фредериком К. Хроми, Альварес и Росси запатентовали «Устройство определения вертикали», в котором использовались телескопы космических лучей.
В Эритрее Росси обнаружил еще одно явление, которое станет основной темой его послевоенных исследований космических лучей: обширные воздушные потоки 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 активировать счетчики, он разложил их в горизонтальной плоскости. В этой конфигурации частота совпадений была больше, чем рассчитанная на основе индивидуальных скоростей и разрешающего времени схемы совпадений. Росси пришел к выводу, что:
... время от времени на записывающее оборудование попадают очень большие потоки частиц, которые вызывают совпадения между счетчиками, даже расположенными на большом расстоянии друг от друга.
В 1937 году Росси познакомился с Норой Ломброзо, дочерью Уго Ломброзо , профессора физиологии Университета Палермо , и Сильвией Форти. Ее дедушкой был известный врач и криминолог Чезаре Ломброзо , а ее тети, Джина Ломброзо и Паола Ломброзо Каррара , были известными итальянскими писателями и педагогами. В апреле 1938 года Бруно и Нора поженились и создали домашнее хозяйство в Падуе.
Хотя Росси избегал политики, некоторые из соратников Росси были активными противниками фашистского государства. Например, он был наставником Эухенио Куриэля , который стал членом коммунистической партии , когда получил ученую степень в Падуе. Позже, в 1943 году, Куриэль присоединился к сопротивлению в Милане, а в 1945 году был убит солдатами республики Сало, марионеточного немецкого государства . Точно так же Этторе Панчини , получивший докторскую степень у Росси в 1938 году, провел годы войны, чередуя исследования космических лучей и активное участие в итальянских движениях сопротивления в Падуе и Венеции.
Из-за этих ассоциаций, а также из-за того, что оба Росси были евреями , они забеспокоились, поскольку антисемитизм Италии рос под влиянием нацистской Германии . В конце концов, в результате антиеврейских законов, вытекающих из « Манифеста расы» , Росси был уволен с должности профессора. 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 в качестве учителя и ученого подошла к концу.
Изгнание
С этой неудачи Росси начал важный этап своей карьеры. Он резюмировал этот период в своих мемуарах: «Распад« мезотронов »(1939–1943): экспериментальная физика элементарных частиц в эпоху невинности», который он представил на симпозиуме в Фермилабе в 1980 году. 12 октября 1938 года Россис покинул для Копенгагена , куда его пригласил учиться датский физик Нильс Бор . Пара не собиралась возвращаться в Италию, и Бор помог Росси найти более безопасное положение, спонсировав конференцию с участием ведущих физиков. Он надеялся, что один из них найдет Росси работу, и вскоре Росси получил приглашение приехать в Манчестерский университет , где Блэкетт создавал крупный центр исследований космических лучей. После приятных двух месяцев в Дании Росси и Нора прибыли в Манчестер .
Манчестер
Пребывание Росси в Манчестере было недолгим, но продуктивным. В это время было доступно четкое представление о программном компоненте. В 1934 году Ганс Бете и Вальтер Хайтлер опубликовали количественное описание не только образования электрон-позитронных пар энергичными фотонами, но также образования фотонов энергичными электронами и позитронами . В Манчестере Росси сотрудничал с Людвигом Яноси в эксперименте, который продемонстрировал правильность теории Бете-Гайтлера второго процесса, которая еще не была полностью подтверждена. Этот эксперимент также представил технику анти-совпадений , которая стала повсеместной функцией инструментов для обнаружения и анализа энергичных частиц.
К этому времени наблюдения камеры Вильсона прояснили природу жесткого компонента. В 1936 году Андерсон и его ученик Сет Недермейер открыли частицы космических лучей с массой, промежуточной между массой электрона и протона, которые Андерсон назвал «мезотронами». Впоследствии мезотрон стал известен как «μ-мезон», сокращенный до « мюона ». Незадолго до Копенгагенской конференции Блэкетт предположил, что наблюдаемые вариации интенсивности космических лучей в зависимости от температуры атмосферы могут быть признаком нестабильности мезотронов, и провел интенсивные дискуссии с Росси по этому поводу. В результате Росси покинул Манчестер с твердым намерением подтвердить их распад и измерить время жизни.
Чикаго
Когда в Европе нависла война, Блэкетт и другие посоветовали Росси покинуть Великобританию. Поэтому он написал Комптону, который пригласил его на летний симпозиум в Чикаго и намекнул, что может появиться работа. В июне 1939 года Rossis отплыли в Нью-Йорк , где их встретили Ферми и его жена Лаура , которые также покинули Италию из-за расовых законов. После краткого воссоединения с Fermis Бете предложила Rossis отправиться в Чикаго. Они с благодарностью приняли предложение и в середине июня 1939 года прибыли в Чикагский университет .
Распад мезотрона
Сразу после того, как сессия симпозиума по мезотронной нестабильности достигла консенсуса, что необходимы более точные наблюдения, Росси и Комптон начали планировать эксперимент. Поскольку интенсивность твердого компонента увеличивается с высотой, а плотность воздуха уменьшается, Комптон предложил провести исследования на горе Эванс в Колорадо , где он работал в начале 1930-х годов и где есть доступ к исследовательскому центру в Высота 4310 метров (14 140 футов) обеспечивается живописной дорогой Маунт-Эванс , самой высокой асфальтированной дорогой в Северной Америке. Он призвал Росси начать серию экспериментов тем летом, прежде чем снег заблокировал дорогу, и для помощи привлек двух своих друзей, Нормана Хиллберри и Дж. Бартона Хога, и студента Уинстона Бостика . Росси и его помощники поспешно собрали оборудование и погрузили его в полуразрушенный автобус, который Комптон позаимствовал в отделе зоологии.
К этому времени было известно, что основным процессом потери энергии мезотронами является потеря энергии ионизации, которая описывается формулой Бете и пропорциональна массе на единицу площади пройденного слоя материала. Если бы это был единственный процесс, интенсивность прохождения твердого компонента через слой твердого материала уменьшилась бы на ту же величину, что и в эквивалентном слое воздуха. Росси и его сотрудники 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 свидетельство распада мезотрона и, принимая во внимание эффект релятивистского замедления времени , оценили его средний срок службы в состоянии покоя примерно в 2 микросекунды.
Следующим летом Росси вернулся на гору Эванс, где провел эксперименты возле озера Эхо на высоте 3230 метров (10600 футов). С помощью методов антисовпадений установка позволила измерить длину свободного пробега до распада двух групп мезотронов с различным средним импульсом. Результаты, опубликованные с Дэвидом Б. Холлом, не только подтвердили пропорциональность между импульсом частицы и средней длиной свободного пробега мезотронов до распада, которая ожидается на основе теории относительности , но также представили улучшенную оценку времени жизни в состоянии покоя: ( 2,4 ± 0,3) микросекунды. Эти и результаты предыдущего года были не только первыми, которые окончательно показали, что мезотроны нестабильны, но и первым экспериментальным подтверждением замедления времени движущихся часов, предсказываемого теорией относительности.
Корнелл
В Чикаго позиция Росси как научного сотрудника была непостоянной, и Комптон не смог найти для него лучшего. Следовательно, он начал поиск работы, во время которого он провел семинар в Корнельском университете , где по совпадению смерть создала вакансию на физическом факультете. После того, как Бете предложил пригласить Росси на эту должность, он был назначен адъюнкт-профессором Корнельского университета. Осенью 1940 года, вернувшись в Чикаго из Колорадо, Rossis отправились в Итаку .
В Корнелле Росси познакомился со своим первым американским аспирантом Кеннетом Грейзеном , с которым он написал статью «Теория космических лучей», которая была опубликована в « Обзоре современной физики» и стала известна среди исследователей космических лучей как «Библия». . Летом 1941 года Грейзен и физики из Денвера и Боулдера сопровождали Росси на гору Эванс, где они уточнили пропорциональность между импульсом мезотрона и временем его жизни до распада. Грейзен и Росси также провели эксперименты, которые показали, в терминах процессов, задокументированных в «Библии», что не все частицы мягкого компонента могут быть произведены мезотронами жесткого компонента. Они интерпретировали это как свидетельство наличия первичных электронов или фотонов, но позже стало очевидно, что мягкий избыток возникает в результате распада нейтральных пионов .
После экспедиции 1941 года в Колорадо Росси решил, что на вопрос о распаде мезотронов был дан ответ. Однако его не удовлетворила точность, с которой было определено время жизни, поскольку существующие оценки зависели от массы мезотрона, которая не была точно известна. Чтобы выполнить более прямые измерения, он разработал прибор для измерения временного интервала между прибытием мезотрона в поглотитель, где он остановился, и испусканием электрона, когда мезотрон распадался. Чтобы помочь ему, он заручился помощью аспиранта Норриса Нересона. В основе их эксперимента был «хронометр», представлявший собой электронную схему, которая вырабатывала импульс, высота которого была точно пропорциональна временному интервалу, и который можно было зарегистрировать, сфотографировав осциллограмму .
Это был первый преобразователь времени в амплитуду , еще один вклад Росси в электронные методы экспериментальной физики. Для поглотителей из свинца и латуни было построено график зависимости числа распадов 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, которое позже было уточнено до 2,15 ± 0,07 микросекунды. После войны Росси обнаружил, что его итальянские коллеги, Марчелло Конверси и Оресте Пиччони , проводили эксперименты, очень похожие на его, и измерили продолжительность жизни в соответствии с его результатом.
Оглядываясь назад на то, что он назвал «Эпохой невинности», Росси писал:
Как это возможно, чтобы результаты, касающиеся фундаментальных проблем физики элементарных частиц, могли быть достигнуты с помощью экспериментов почти детской простоты, которые стоят всего несколько тысяч долларов и требуют помощи всего лишь одного или двух аспирантов?
Лос-Аламос
Завершив работу над мезотронами, Росси обратил свое внимание на военные действия. В 1942 году, во время поездок из Итаки в Кембридж, штат Массачусетс , он стал консультантом по радиолокационным развитию в радиационной лаборатории в Массачусетском технологическом институте . Здесь вместе с Грейзеном он изобрел «схему слежения за дальностью», которая была запатентована после войны.
В начале июля 1943 года Бете пригласил Росси присоединиться к Манхэттенскому проекту . Через месяц он явился на службу в лабораторию Лос-Аламоса . 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 инструментов, необходимых для создания атомной бомбы. Вскоре он понял, что уже существует группа с аналогичной миссией, возглавляемая швейцарским физиком Гансом Х. Штаубом . Эти двое решили объединить свои усилия в единую «Детекторную группу». Им помогали около двадцати молодых исследователей, в том числе Мэтью Сэндс , «электронный волшебник», который позже получил докторскую степень под руководством Росси, и Дэвид Б. Никодемус , которого Стауб привел из Стэнфордского университета , который был экспертом по детекторам частиц.
Камера быстрой ионизации
Разработка бомбы потребовала создания больших детекторов ионизирующего излучения, чей отклик пропорционален энергии, выделяемой в детекторе, и следует за быстрыми изменениями интенсивности излучения. С самых ранних исследований радиоактивности , радиация измерялась с точки зрения ионизации , но существующие камеры ионизации медленно реагировали на изменения. Чтобы решить эту проблему, Росси и Штауб провели тщательный анализ импульсов, которые возникают, когда отдельные заряженные частицы создают ионы внутри ионизационной камеры. Они поняли, что высокая подвижность свободных электронов, удаленных от ионизированных атомов, означает, что импульсы, производимые отдельными частицами, могут быть очень короткими. Вместе с Джеймсом С. Алленом Росси обнаружил газовые смеси с высокой подвижностью электронов и низким прилипанием электронов . На основе этих исследований Аллен и Росси изобрели «камеру быстрой ионизации», которую они запатентовали после войны. Это было решающим фактором успеха Манхэттенского проекта и стало широко использоваться в послевоенных исследованиях физики элементарных частиц.
РаЛа эксперименты
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 « Тонкий человек ». В ответ Оппенгеймер полностью реорганизовал лабораторию, чтобы сосредоточиться на разработке оружия имплозивного типа .
Росси был привлечен для реализации метода тестирования различных конструкций оружия, чтобы прийти к такому, которое произвело точно симметричный сферический взрыв. В ходе испытаний измерялось изменение поглощения гамма-излучения металлической сферой при имплозивном сжатии. Гамма-лучи испускались таблеткой короткоживущего радиоизотопа лантана-140, расположенной в центре сферы. Термин Rala эксперимент является сокращение Ра dioactive La nthanum. По мере того, как сжатие прогрессировало, быстрое увеличение поглощения было обнаружено как уменьшение интенсивности гамма-излучения, зарегистрированного вне сборки.
Эксперименты RaLa выявили множество подводных камней на пути к успешному взрыву. Чтобы понять проблемные струи, которые мешали ранним конструкциям имплозии, были необходимы другие методы испытаний, но эксперименты RaLa сыграли основную роль в конструкции линз взрывчатого вещества . В своей истории проекта Лос-Аламос Дэвид Хокинс писал: «RaLa стал самым важным экспериментом, повлиявшим на окончательную конструкцию бомбы».
Диагностика троицы
16 июля 1945 года плутониевое устройство имплозионного типа было взорвано на полигоне Тринити недалеко от Аламогордо, штат Нью-Мексико . Кодовое название этого устройства было « Устройство », и его конструкция была очень похожа на оружие Толстяка, которое было сброшено на Нагасаки двадцать четыре дня спустя.
В рамках подготовки к Trinity Росси разработал приборы для регистрации гамма-излучения во время цепной реакции, продолжительность которой должна была составить примерно 10 наносекунд. Наблюдения в этом масштабе времени в 1945 году были почти за гранью современного состояния, но Росси спроектировал и построил большую цилиндрическую ионизационную камеру, скорость реакции которой была достаточной, поскольку коаксиальные электроды были разделены узким зазором всего в 1 сантиметр (0,39 дюйма). .
Чтобы записать сигнал, 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 передать сигнал на осциллограф, он разработал коаксиальную линию передачи увеличенного размера , внутренний проводник которой уменьшался по мере продвижения от камеры к осциллографу. Поскольку эта конфигурация усиливала сигнал, достигающий осциллографа, в усилении не было необходимости. Чтобы подтвердить это удивительное поведение, Росси проконсультировался с профессором Гарварда Эдвардом Перселлом .
Через несколько дней после испытания Росси вместе с Ферми вошел в темную комнату, и до того, как вновь проявленная пленка высохла, они смогли вычислить начальную скорость роста ядерной активности, которая была важной информацией для будущих разработок оружия. Из трех попыток измерить этот показатель на Тринити, Росси была единственной, которая полностью увенчалась успехом.
Массачусетский технологический институт
С успехом Манхэттенского проекта и Радиационной лаборатории Массачусетский технологический институт вступил в новую эру « большой науки », финансируемой правительством США. Расширение Массачусетского технологического института в области ядерной физики было инициировано Джерролдом Р. Захариасом , который приехал в Лос-Аламос в конце войны и нанял Вики Вайскопфа и Росси профессорами Массачусетского технологического института. Росси уехал из Лос-Аламоса в Кембридж 6 февраля 1946 года.
В новой Лаборатории ядерных наук , возглавляемой Захариасом, Росси было поручено создать группу исследования космических лучей в Массачусетском технологическом институте. Чтобы помочь, он нанял четырех молодых ученых, которые были в Лос-Аламосе в качестве кандидатов наук: Герберта Бриджа, Мэтью Сэндса, Роберта Томпсона и Роберта Уильямса. Двое из сотрудников радиационной лаборатории также пришли работать с ним: Джон Тинлот и Роберт Хулсайзер. Все шестеро были более зрелыми, чем обычные аспиранты, поскольку у них был многолетний исследовательский опыт военного времени. Следовательно, им выплачивалась стипендия, аналогичная стипендии исследователя , получившего докторскую степень , которая финансировалась Управлением военно-морских исследований и позволяла им поддерживать семьи во время учебы в аспирантуре.
Для этого нового этапа своей деятельности Росси кардинально изменил подход. По его словам:
На моей новой должности моя деятельность будет сильно отличаться от той, что была в прошлые годы. Затем, работая один или, самое большее, с помощью нескольких студентов, я собирал инструменты, отнес их к месту, где они должны были использоваться, производил измерения и анализировал результаты. Теперь я нес ответственность за всю группу, и важна была не моя собственная работа, а работа группы. Моя задача состояла в том, чтобы определить наиболее многообещающие исследовательские программы среди тех, которые были в пределах нашей досягаемости, чтобы помочь там, где требовалась помощь в планировании оборудования или оценке экспериментальных результатов, и все это, не препятствуя индивидуальной инициативе исследователей.
Элементарные частицы
С открытием пиона в 1947 году поиск новых элементарных частиц стал популярной темой исследований. Управляя камерами быстрой ионизации внутри камеры Вильсона, Герберт показал, что зарегистрированные ими всплески ионизации в основном вызываются космическими лучами относительно низкой энергии, 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.
Группа Росси сосредоточилась на использовании облачных камер для изучения их свойств и взаимодействия. В 1948 году с помощью многопластинчатой камеры Вильсона, в которой свинцовые пластины чередовались с алюминиевыми, Грегори, Росси и Тинло показали, что источником электромагнитной составляющей взаимодействия космических лучей являются преимущественно энергетические фотоны, а не электроны. Этот результат подтвердил предположение Оппенгеймера 1947 года о том, что нейтральные пионы образуются во взаимодействиях вместе с заряженными, и что этот компонент возникает в результате их быстрого распада на фотоны.
Для изучения новых элементарных частиц Бридж и Мартин Аннис использовали большую прямоугольную многопластинчатую камеру Вильсона на озере Эхо. Это расследование послужило основой для докторской диссертации Аннис в 1951 году под руководством Росси. В следующем году эти авторы вместе с другим учеником Росси, Станиславом Ольбертом, показали, как получить информацию об энергии частиц из измерений их многократного рассеяния . Это добавило еще один способ использования облачных камер для измерения свойств элементарных частиц. В начале 1953 года Росси совместно с Бриджем, Ричардом Саффордом и Чарльзом Пейру опубликовал результаты всестороннего исследования элементарных частиц, которые стали известны как каоны, в камере Вильсона . Пейру был посетителем Политехнической школы , где он получил точное значение массы мюона в 1947 году, а Саффорд был учеником Росси.
Конференция Баньер-де-Бигор
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-Ренге организовали Международную конференцию по космическим лучам в Баньер-де-Бигор в 1953 году. По словам Джеймса Кронена , «эта конференция может быть отнесена к той же категории, что и две другие известные конференции, а именно: Сольвейский конгресс 1927 г. и Конференция по острову Шелтер 1948 г. "
Лепренс-Ринге попросил Росси обобщить новую информацию, представленную на конференции, и предложить номенклатуру новых частиц. Перед конференцией, в ответ на последнее задание, Росси распространил предложение о том, чтобы частицы с массой меньше массы нейтрона обозначались строчными греческими буквами, а частицы с большей массой - заглавными греческими буквами. В своем выступлении 11 июля 1953 г. он сообщил, что результаты конференции, которые он собрал с помощью Пауэлла и Фреттера, согласуются с этой схемой, которая впоследствии широко использовалась.
Основным моментом было заявление Лепренса-Ринге в его заключительном выступлении о том, что «... в будущем мы должны использовать ускорители элементарных частиц». Поскольку космотрон на 3 ГэВ уже работает в Брукхейвенской национальной лаборатории , это заявление отразило консенсус среди участников. В результате группа Росси начала сворачивать свои эксперименты в камере Вильсона. Однако в 1954 году Бридж, Ганс Курант, Герберт ДеСтаблер-младший и Росси сообщили о необычном событии, в котором остановившаяся однозарядная частица распалась на три фотона, суммарная энергия которых превышала энергию покоя протона. Это признак аннигиляции антипротона . В следующем году группа во главе с Оуэном Чемберленом и Эмилио Сегре обнаружила антипротоны, за что они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1960 году.
Обширные воздушные души
Ко времени конференции в Баньере-де-Бигорре Росси уже обратил внимание на астрофизические последствия явлений космических лучей, особенно сильных атмосферных ливней. После того, как Росси признал в Эритрее, что эти события существуют, они были тщательно изучены Пьером Оже и Уильямсом. В то время чрезвычайно быстрая реакция недавно разработанных сцинтилляционных счетчиков открыла новый способ изучения структуры атмосферных ливней. Для этого Росси привлек своего ученика Джорджа Кларка , получившего степень доктора философии в 1952 году, и Пьеро Басси, посетившего Университет Падуи. Поскольку твердого сцинтилляционного материала не было, они решили использовать терфенил, растворенный в бензине , который является эффективным жидким сцинтиллятором . С помощью трех счетчиков, установленных на крыше здания Массачусетского технологического института зимой 1952/53 г., они обнаружили, что частицы ливня достигают расстояния всего в один или два метра от диска, который движется со скоростью, близкой к скорости света, в направлении оси душа.
Этот результат показал, что сцинтилляционные счетчики могут не только определять время прихода ливневых дисков на многих детекторах, разбросанных по большой площади, но и оценивать количество частиц, попадающих на каждый детектор. Эти возможности сочетают в себе метод определения направлений прихода ливней «быстрой синхронизации» с методом выборки плотности для определения их размера и местоположения их осей.
Эксперимент Агассиса
С этим прогрессом группа Росси начала крупный эксперимент, который мог измерить как первичную энергию, так и направление прихода широких атмосферных ливней. В этой работе участвовали: Джордж Кларк, Уильям Краушаар, Джон Линсли , Джеймс Эрл и Фрэнк Шерб. Краушаар пришел в Массачусетский технологический институт из Корнелла в 1949 году, получив докторскую степень 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 Агассис обсерватории . Сигналы передавались по кабелям в хижину Квонсет , где они отображались на пятнадцати осциллографах и регистрировались фотографически.
Вскоре после начала эксперимента по записи данных о ливне молния зажгла горючую жидкость одного из счетчиков. Местные пожарные быстро потушили возникший пожар, прежде чем он распространился на близлежащие деревья, пропитанные дождевой водой. Поскольку деревья играли важную роль в подавлении атмосферной конвекции, которая могла ухудшить телескопические наблюдения, Гарвард и Массачусетский технологический институт вели напряженные переговоры, пока не была установлена сложная система противопожарной защиты и эксперимент не разрешили возобновить. Чтобы устранить угрозу возгорания, Кларк, Фрэнк Шерб и Уильям Б. Смит создали «фабрику» по производству негорючих пластиковых сцинтилляционных дисков толщиной 10 сантиметров (3,9 дюйма) и диаметром примерно 1 метр (3 фута 3 дюйма). .
После перехода на пластик в конце весны 1956 года эксперимент продолжался непрерывно. Его результаты были опубликованы в журналах Nature и Physical Review . Наиболее важные результаты были резюмированы Росси следующим образом:
1. Точное измерение плотности частиц ливня в зависимости от расстояния от центра ливня.
2. Измерение энергетического спектра первичных частиц, ответственных за ливни, от 10 15 электрон-вольт до 10 18 электрон-вольт.
3. Доказательство того, что эти частицы прибывают практически в равном количестве со всех сторон.
4. Наблюдение частицы с энергией, близкой к 10 19 электрон-вольт.
Когда эксперимент Агассиса подошел к концу, группа поняла, что наблюдения вблизи экватора и в южном полушарии были необходимы, чтобы расширить их вывод о том, что направления прихода атмосферного ливня почти изотропны. Следовательно, Кларк в сотрудничестве с Викрамом Сарабхаи провел свой небольшой эксперимент в Кодайканале , Индия, на широте 10 ° северной широты, и подтвердил отсутствие анизотропии. Позже, по предложению Исмаэля Эскобара, оборудование Агассиса было перенесено в Эль-Альто на 4200 метров на боливийское плато на 16 ° ю.ш. Здесь Кларк, Эскобар и Хуан Херсил не обнаружили анизотропии, но они показали, что структура атмосферных ливней при максимальном их развитии отличается от такового на уровне моря.
Эксперимент на ранчо вулкана
Максимальная энергия частицы, зарегистрированная в эксперименте Агассиса, 10 19 электрон-вольт, близка к энергиям, за пределами которых заряженные частицы не могут удерживаться в галактическом диске типичными межзвездными магнитными полями 10 -5 гаусс . Детекторная матрица очень больших размеров необходима для обнаружения ливней с такими энергиями. Джон Линсли согласился взять на себя ответственность за создание такого массива. Он поступил в Массачусетский технологический институт в 1954 году из Университета Миннесоты , где получил докторскую степень под руководством Эдварда П. Нея . Вскоре к нему присоединился Ливио Скарси , которого Росси завербовал из группы Оккиалини в Миланском университете .
Поскольку поблизости от Бостона не было достаточно большого участка открытой земли, массив был построен на территории полупустынной территории, известной как Ранчо Вулкано , примерно в 16 милях (26 км) к западу от Альбукерке, штат Нью-Мексико , на высоте 1770 метров (5810 метров). футов). В течение 1957 и 1958 годов Линсли и Скарси развернули 19 сцинтилляционных счетчиков, в которых использовались флуоресцентные пластиковые диски, подобные тем, что используются в детекторах Агассиса, за исключением того, что каждый счетчик включал четыре диска, просматриваемых четырьмя фотоумножителями. Первоначально площадь массива составляла 2,5 * 10 6 м 2 , что можно сравнить с 10 5 м 2 Агассиса , но в 1960 году, после того, как Скарси вернулся в Милан , Линсли распространил детекторы на площади 10 7 м 2 .
Результаты эксперимента Volcano Ranch показали, что интенсивность космических лучей плавно уменьшается с энергией от 10 17 до 10 18 электрон-вольт. и что основные цвета в этом диапазоне прибывают изотропно. Особое значение имело обнаружение одиночной частицы, энергия которой в 10 20 электрон-вольт превышает максимум, который может удерживаться в галактическом диске галактическими магнитными полями. Частицы этих энергий могут возникать только в галактическом гало или извне галактики , и их существование не согласуется с пределом Грейзена-Зацепина-Кузьмина .
Исследование космической плазмы
4 октября 1957 года Советский Союз запустил первый искусственный спутник Земли - Спутник-1 . Это событие положило начало кризису Sputnik , «волне почти истерии» среди удивленной американской общественности. В ответ правительство США увеличило финансирование Национального научного фонда и в 1958 году создало Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Агентство перспективных исследовательских проектов , которое в 1972 году было переименовано в Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA). 4 июня 1958 года, через два дня после принятия закона о создании НАСА, Детлев В. Бронк , председатель Национальной академии наук , встретился с руководителями этих трех агентств, чтобы создать новый консультативный орган, Совет по космическим наукам, чтобы обеспечить советы по расширению космических исследований и обеспечению должного внимания к финансированию фундаментальной науки.
Совет созвал свое первое заседание 27 июня 1958 года. Только четыре члена уже занимались космическими исследованиями: Росси, Лео Голдберг , Джон Симпсон и Джеймс Ван Аллен . Росси сформировал подкомитет, в который вошли Томас Голд , Филип Моррисон и биолог Сальвадор Лурия , которые согласились с желательностью исследований плазмы в межпланетном пространстве. Следовательно, Росси решил направить усилия своей группы на ее изучение. Росси разработал и протестировал плазменный зонд с помощью моста Герберта, основанный на классической чашке Фарадея . Однако, чтобы усилить реакцию прибора на положительно заряженные протоны и подавить его реакцию на фотоэлектроны, производимые солнечным светом, внутри чашки были развернуты четыре решетки. Ключевым нововведением было модулирующее напряжение, подаваемое на одну из решеток, которое преобразовывало сигнал в переменный ток , пропорциональный потоку протонов и не загрязненный каким-либо вкладом фотоэлектронов.
После интенсивного лоббирования Гомера Ньюэлла , заместителя директора НАСА по программам космических полетов, Росси обеспечил возможность полета на Explorer 10 , « первом отечественном спутнике Годдарда ». Необъявленная цель состояла в том, чтобы поразить Луну, но после запуска 25 марта 1961 года спутник вышел на сильно вытянутую орбиту вокруг Земли, чей апогей на 70% расстояния до Луны был намного меньше этой цели.
Тем не менее, в течение 52 часов данных, записанных зондом Массачусетского технологического института до того, как разрядился аккумулятор, группа Росси обнаружила переход между двумя отдельными регионами вокруг Земли. Возле Земли были довольно сильные и хорошо организованные магнитные поля, но никаких признаков межпланетных протонов. На 22 земных радиусах космический аппарат вошел в область, где магнитные поля были более слабыми и нерегулярными, и где наблюдался значительный поток протонов, идущих с 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 неравномерно. Со временем эта граница стала известна как магнитопауза .
Под Бриджем и Росси в группу космической плазмы Массачусетского технологического института входили Фрэнк Шерб, Эдвин Лайон, Алан Лазарус, Альберто Боннетти, Альберто Эджиди, Джон Белчер и Констанс Дилворт , жена Оккиалини. Его чашки Фарадея собирали данные о плазме по всей Солнечной системе: около Земли на OGO-1, OGO 3 и IMP 8, в межпланетном пространстве на WIND , а также в гелиосфере и гелиооболочке на Voyager 1 и Voyager 2 .
Рентгеновская астрономия
В качестве консультанта компании American Science and Engineering, Inc. Росси инициировал ракетные эксперименты, в результате которых был обнаружен первый внесолнечный источник рентгеновских лучей - Scorpius X-1 . Росси был назначен профессором Института Массачусетского технологического института в 1966 году.
Отставка
Росси ушел из Массачусетского технологического института в 1970 году. С 1974 по 1980 год он преподавал в Университете Палермо. Выйдя на пенсию, он написал ряд монографий и автобиографию 1990 года « Моменты из жизни ученого» , которая была опубликована издательством Cambridge University Press . Он умер от остановки сердца в своем доме в Кембридже 21 ноября 1993 года. Его пережили жена Нора, дочери Флоренс и Линда и сын Фрэнк. Он был кремирован, а его прах находится на кладбище церкви Сан-Миниато-аль-Монте , откуда открывается вид на Флоренцию и холм Арчетри.
Почести и награды
Награды
- Премия Вольфа по физике за его роль в развитии рентгеновской астрономии (1987)
- Национальная медаль науки (1985)
- Rumford премия награда Американской академии искусств и наук за «открытие , касающиеся природы и происхождение космических излучений» (1976)
- Медаль Эллиота Крессона (1974)
- Золотая медаль Итальянского физического общества (1970)
- Доктора honoris causa из университетов Палермо, Дарема и Чикаго.
Наследие
- Rossi X-ray Timing Explorer , спутниковая рентгеновская обсерватория НАСА, запущенная в 1995 году.
- Премия Бруно Росси отдела астрофизики высоких энергий Американского астрономического общества .
- В MIT есть кафедра, названная в честь Бруно Росси. В настоящее время его проводит профессор Клод Р. Канисарес .
Книги
- Росси, Бруно (1952). Частицы высоких энергий . Нью-Йорк: Прентис-Холл. OCLC 289682 .
- Росси, Бруно (1964). Космические лучи . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
- Росси, Бруно; С. Ольберт (1970). Введение в физику космоса . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
- Росси, Бруно (1990). Моменты из жизни ученого . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-36439-6.
- Росси, Бруно (1957). Оптика . Ридинг, Массачусетс: Эддисон Уэсли.
- Росси, Бруно (1959). «Космические лучи высоких энергий». Sci. Являюсь. (опубликовано в ноябре 1959 г.). 201 (5): 135–46. Bibcode : 1959SciAm.201e.134R . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1159-134 . PMID 14439229 .
использованная литература
внешние ссылки