Ускорители заряженных частиц
У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра -
Обстрелять его частииами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для
Самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений,
Возникающих при естественном распаде радиоактивных элементов Но вскоре этой
Энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже "заглянуть" в ядро, физикам
Пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких
Энергий.
Известно, что, попав между электродами с разным зарядом, заряженная частица,
Например, электрон или протон, ускоряет движение под действием электрических сил
Это явление и породило в 1930-е годы идею создания так называемого линейного
Ускорителя.
По конструкции линейный ускоритель представляет собой длинную прямую трубку-
Камеру, внутри которой поддерживается вакуум По всей длине камеры расставлено
Большое количество металлических трубок-электродов. От специального генератора
Высокой частоты на электроды подают переменное электрическое напряжение - так,
Что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим положительно, второй
Электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова положительный электрод, за ним
- отрицательный
Пучок электронов выстреливается из электронной "пушки" в камеру и под действием
Потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, проскакивая
Сквозь него дальше. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и
Электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь
Уже он отталкивает от себя электроны, как бы подгоняя их сзади. А второй
Электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще
Более ускоряя их. Потом, когда электроны пролетят через него, он снова станет
Отрицательным и подтолкнет их к третьему электроду
Так по мере движения вперед электроны постепенно разгоняются, достигая к концу
Камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в сотни миллионов электрон-
Вольт. Через установленное в конце трубы окошко, непроницаемое для воздуха,
Порция ускоренных электронов обрушивается на изучаемые объекты микромира - атомы
И их ядра.
Нетрудно понять, что чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем
Длиннее должна быть труба линейного ускорителя - десятки, а то и сотни метров.
Но не всегда это возможно. Вот если бы свернуть трубу в компактную спираль!
Тогда такой ускоритель свободно мог бы разместиться в лаборатории
Воплотить эту идею в жизнь помогло еще одно физическое явление Заряженная
Частица, попав в магнитное поле, начинает двигаться не по прямой, а "завивается"
Вокруг магнитных силовых линий. Так появился еще
Один тип ускорителя - циклотрон. Первым циклотрон был построен еще в 1930 году
Э. Лоуренсом в США
Основная часть циклотрона - мощный электромагнит, между полюсами которого
Помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых
Металлических коробок, разделенных небольшим зазором. Эти коробки - дуанты -
Служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения В
Центре камеры находится источник заряженных частиц - что-то вроде электронной
"пушки".
Вылетев из источника, частица (предположим, что теперь это положительно
Заряженный протон) сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный
Момент отрицательно Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому
Частица летит в нем по инерции Под влиянием магнитного поля, силовые линии
Которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность
И подлетает к зазору между электродами За это время первый электрод становится
Положительным и теперь выталкивает частицу, в то время как другой втягивает ее в
Себя. Так, переходя из одного дуанта в другой, частица набирает скорость и
Описывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью
Специальных магнитов на мишени экспериментаторов.
Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они
Становятся тяжелее и начинают постепенно отставать от меняющего свой знак
Электрического напряжения на дуантах Они уже не попадают в такт электрическим
Силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сообщить
Частицам в циклотроне, составляет 25-30 МэВ.
Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения, поочередно
Подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в
Такт "отяжелевшим" частицам. Ускоритель такого типа называется
Синхроциклотроном.
На одном из крупнейших синхроциклотронов в Объединенном институте ядерных
Исследований в Дубне (под Москвой) получают протоны с энергией 680 МэВ и
Дейтроны (ядра тяжелого водорода - дейтерия) с энергией 380 МэВ. Для этого
Потребовалось соорудить вакуумную камеру диаметром 3 метра и электромагнит
Массой 7000 тонн!
По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались
Частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость строить еще более
Мощные ускорители - синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся не
По спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. В 1944 году независимо
Друг от друга советский физик В. И. Векслер и американский физик Э. М. Макмиллан
Открыли принцип ав-тофазировки. Суть метода заключается в следующем: если
Определенным образом подобрать поля, частицы будут все время автоматически
Попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 году американские ученые Э.
Курант, М. Ливингстон и X. Снайдер предложили так называемую жесткую
Фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий
Удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.
Существует и другая система классификации ускорителей - по типу ускоряющего
Электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счет высокой разности
Потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует все
Время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях
"работает" вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где
В данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях
Используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле,
Синхронно с которым, "в резонанс", происходит ускорение всего "комплекта"
Частиц. Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют
В виду в основном кольцевые резонансные ускорители.
В еще одном виде ускорителей - протонном - на очень высокие энергии к концу
Периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются
По круговой орбите с постоянной частотой. Ускорители для протонов высоких
Энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США,
Швейцарии и России.
Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен ги-
Гаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Один из самых крупных в мире - протонный
Синхрофазотрон У-70 Института физики высоких энергий в городе Протвино под
Москвой, вступивший в строй в 1967 году. Диаметр ускорительного кольца
Составляет полтора километра, общая масса 120 магнитных секций достигает 20 000
Тонн. Каждые две секунды ускоритель выстреливает по мишеням залпом из 10 в
Двенадцатой степени протонов с энергией 76 ГэВ (четвертый показатель в мире).
Чтобы достигнуть такой энергии, частицы должны совершить 400000 оборотов,
Преодолев расстояние в 60000 километров! Здесь же сооружен подземный кольцевой тоннель длиной
Двадцать один километр для нового ускорителя.
Интересно, что пуски ускорителей в Дубне или Протвино в советские времена
Проводились только по ночам, поскольку на них подавалась чуть ли не вся
Электроэнергия не только Московской, но и соседних областей!
В 1973 году американские физики привели в действие в юроде Батавии ускоритель, в
Котором частицам удавалось сообщить энергию в 400 ГэВ, а потом довели ее до 500
ГэВ. Сегодня самый мощный ускоритель находится в США. Он называется "Тэватрон",
Поскольку в его кольце длиной более шести километров с помощью сверхпроводящих
Магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ равен 1000
ГэВ).
Чтобы достичь еще более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с
Материалом исследуемого физического объекта, надо разогнать "мишень" навстречу
"снаряду". Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу
Друг другу в особых ускорителях - коллайдерах. Конечно, плотность частиц во
Встречных пучках не столь велика, как в материале неподвижной "мишени", поэтому
Для ее увеличения применяют так называемые накопители. Это кольцевые вакуумные
Камеры, в которые "порциями" вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители
Снабжены ускоряющими системами, компенсирующими частицам потерю энергии. Именно
С коллайдерами ученые связывают дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено
Пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира - в США,
Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных исследований, базирующемся в
Швейцарии.
Современный ускоритель - это "фабрика" по производству интенсивных пучков частиц
- электронов или в 2000 раз более тяжелых протонов. Пучок частиц из ускорителя
Направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, "мишень". При
Соударении с ней возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение
Новых частиц и есть цель опытов.
С помощью специальных устройств - детекторов - эти частицы либо их следы
Регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц,
Электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путем сложной
Математической обработки информации, полученной с детекторов, на компьютерах
Восстанавливают всю "историю" взаимодействия и, сопоставив результаты измерений
С теоретической моделью, делают выводы: совпадают реальные процессы с
Построенной моделью или нет. Именно так добывается новое знание о свойствах
Внутриядерных частиц.
Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она
Воздействует на атом "мишени" или на встречную частицу в кол-лайдере, тем мельче
Будут "осколки".
С помощью коллайдера в США, например, проводятся эксперименты с целью
Воссоздания в лабораторных условиях Большого взрыва, с которого, как
Предполагается, началась наша Вселенная. В этом смелом эксперименте принимали
Участие физики из двадцати стран, среди которых были и
Представители России. Российская группа летом 2000 года непосредственно
Участвовала в эксперименте, дежурила на ускорителе, снимала данные.
Вот что говорит один их российский ученых - участников этого эксперимента -
Кандидат физико-математических наук, доцент МИФИ Валерий Михайлович Емельянов:
"В 60 милях от Нью-Йорка, на острове Лонг-Айленд, был построен ускоритель RHIC -
Relativistic Heavy Ion Collider - коллайдер на тяжелых релятивистских ионах.
"Тяжелых" - поскольку уже в этом году он начал работать с пучками ядер атомов
Золота. "Релятивистских" - тоже понятно, речь идет о скоростях, при которых во
Всей красе проявляются эффекты специальной теории относительности. А
"коллайдером" (от collide - сталкиваться) он называется потому, что в его кольце
Происходит столкновение встречных пучков ядер. Кстати, в нашей стране
Ускорителей такого типа нет. Энергия, которая приходится на один нуклон,
Составляет 100 ГэВ. Это очень много - почти вдвое больше ранее достигнутого.
Первое физическое столкновение было зафиксировано 25 июня 2000 года". Задачей
Ученых было попытаться зарегистрировать новое состояние ядерного вещества -
Кварк-глюонную плазму.
"Задача очень сложна, - продолжает Емельянов, - а математически - вообще
Некорректна: одно и то же фиксируемое распределение вторичных частиц по
Импульсам и скоростям может иметь совершенно разные причины. И только при
Детальном эксперименте, в котором задействована масса детекторов, калориметры,
Датчики множественности заряженных частиц, счетчики, регистрирующие переходное
Излучение, и т. п., есть надежда зарегистрировать тончайшие отличия, присущие
Именно кварк-глюонной плазме. Механизм взаимодействия ядер при столь больших
Энергиях интересен сам по себе, но куда важнее, что впервые в лабораторных
Условиях мы можем исследовать зарождение нашей Вселенной".
