Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Ускорители частиц от опытов Резерфорда к адронному коллайдеру

В подмосковной Дубне 20 ноября 2020 года запустили1 работу первого блока кольцевого ускорителя NICA. Всего за 90 лет, минувшие с момента появления первого ускорителя частиц, физика дошла до изучения структуры атомов и моделирования процессов, которые происходят в звездах. О том, зачем в начале XX века начали ускорять и сталкивать друг с другом элементарные частицы, чем новые коллайдеры отличаются от первых ускорителей и зачем нужны проекты, подобные NICA и Большому адронному коллайдеру, рассказали ПостНаука и ученый в области физики ускорителей Игорь Николаевич Мешков.Это материал из гида Атомы науки, приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида Росатом.Что такое ускорители заряженных частицУскоритель это устройство, которое разгоняет частицы до определенного уровня энергии. Ускоритель воздействует на частицу, даже искусственно созданную, только если она обладает электрическим зарядом. Такие частицы реагируют на воздействие электромагнитных полей, благодаря чему ускорители одновременно заставляют их разгоняться и управляют их движением.Ускорители заряженных частиц классифицируются по типу элементарных частиц, с которыми работают. Протонные и ионные занимаются тяжелыми частицами, позитронные и электронные легкими. На ускорителях работают и со вторичными частицами, образующимися уже в процессе взаимодействия разгоняемых частиц друг с другом. В этом случае можно работать и с нейтральными (беззарядовыми) частицами нейтронами и нейтрино. А еще с кварками и их производными, из которых состоят мезоны, различного рода ядра, экзотические частицы.Современные ускорители это километры подземных тоннелей, сотни тонн магнитов и международные команды ученых из десятков стран, управляющие этой сложной инфраструктурой.Но на самом деле простой ускоритель можно сделать и дома. Возьмите лампу накаливания, желательно с нитевидным нагревателем. Включите ее в сеть или подсоедините к батарейке лучше выбрать второй вариант, чтобы не устроить замыкание в домашней сети. Приложить напряжение (то есть подвести два провода от плюса и минуса батарейки) нужно между цоколем лампы одним из вводов спирали накаливания и кольцом, которое надевается на лампу.Электроны, вылетающие из нити лампочки при достаточном накаливании, заметны невооруженным глазом в этом и заключается суть эксперимента. Под отрицательным потенциалом они ускоряются напряжением между нитью и лампой, ударяются о стекло и при торможении излучают радиоволны. Интересно, что рентгеновский источник работает примерно так же: ускоренные электроны бомбардируют мишень.Первые ускорителиПервый шаг к разработке настоящих ускорителей частиц сделал американский инженер Роберт Ван-де-Грааф в 1929 году. Устроен новый прибор был хитроумно: представим себе резиновую ленту, которая крутится на двух роликах. На одном конце ставится игла под напряжением, благодаря чему между ней и лентой создается разряд. Лента заряжается и переносит заряд ко второму ролику, где аналогичная игла его снимает. На этом же конце заряжается шар, и на его внешней поверхности создается высокое напряжение. Частицы, имеющие заряд, проходят разность потенциалов и приобретают в таком ускорителе кинетическую энергию, то есть ускоряются. Генератор Ван-де-Граафа электростатический прибор, а его вариации используют до сих пор. Рекордное напряжение, полученное на таких ускорителях, составило 15 МэВ невероятные цифры для того времени.
На год позже Ван-де-Граафа два английских физика Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон придумали электростатический ускоритель на основе умножителя напряжений. Он состоял из нескольких каскадов конденсаторов и диодов. В этой модели переменное напряжение попадало на один каскад, там выпрямлялось1 и заряжало конденсаторы.2На следующий каскад тоже подавалось переменное напряжение. Так последовательно складывалась цепочка конденсаторов возникало высокое постоянное напряжение. Прибор получил название умножитель Кокрофта Уолтона.
Кокрофт и Уолтон провели первый физический эксперимент на ускорителе, бомбардируя ядрами водорода (протонами) литиевую мишень, и обнаружили, что из нее вылетают две альфа-частицы. У лития атомная масса равна 7 (3 протона, 4 нейтрона). А у альфа-частицы 2 протона, которые несут положительный заряд, и 2 нейтрона. Это был первый опыт, показавший, что ядро расщепляется.Параллельно с устройством Кокрофта и Уолтона появился ускоритель американского физика Рольфа Видероэ. Он предложил схему с источником протонов и цилиндрами, к которым приложено переменное напряжение: минус плюс, минус плюс. Пучок протонов влетает в трубу, состоящую из цилиндров, между которыми есть зазоры. Когда протоны приближаются к зазору, заряды в цилиндрах меняют знаки. На выходе протонов из зазора знаки снова меняются. Так между цилиндрами возникает ускоряющий промежуток, и за счет этого протоны приобретают более высокую кинетическую энергию. Это называется резонансным методом ускорения Видероэ. Именно этот принцип заложен в основу линейных ускорителей частиц.
В линейных резонансных ускорителях частицы подвергаются многократному ускорению, пролетая сквозь ряд цилиндров, поэтому достигают наибольших скоростей, особенно легкие, такие как электрон. Иногда количество ускоряющих промежутков, то есть зазоров, может достигать нескольких десятков тысяч. Это позволяет разогнать частицы до больших энергий.От циклотронов к синхрофазотронуВ 1929 году американский физик Эрнест Лоуренс заинтересовался работами Видероэ и решил попробовать загнуть линейный ускоритель. Ведь чем длиннее устройство, тем оно дороже, при этом происходит большая потеря энергии. Получилась условно большая спираль, собранная в круг, с одной ровной линией зазоров. Этот ускоритель он назвал циклотрон. Фактически это был первый резонансный циклический ускоритель, до него существовали только линейные.Циклотрон Лоуренса работал с постоянным магнитным полем и напряжением постоянной частоты. Когда частицы, двигаясь по спирали, первый раз пролетают через зазор, переменное электрическое поле подталкивает их вперед. А когда они, преодолев половину круга, пересекают зазор в обратном направлении, оно меняет знак, поэтому снова стимулирует их движение. По мере наращивания кругов в этой спирали энергия частиц растет. А период прохождения в ускоряющем поле через зазор удлиняется, пока энергия не станет максимальной.
Однако циклотрон ускоритель исключительно для тяжелых частиц, например протонов. Электроны невыгодно на нем ускорять, поскольку они легкие. Для них нужны другие машины, и их разработкой занялись в середине XX века.Советский физик Владимир Иосифович Векслер в 1944 году и американец Эдвин Макмиллан в 1945 году поняли, что для того, чтобы разгонять частицы еще быстрее, нужно модулировать частоту, то есть подстраивать ее под время пролета частицы в циклотроне. Это принцип автофазировки: для непрерывного ускорения частиц необходимо, чтобы в моменты ускорения направления движения частицы и электрического поля совпадали.Однако при достижении достаточно большой энергии частицы ее массу уже нельзя считать постоянной. Согласно теории относительности, проявляется эффект увеличения массы частицы с ростом энергии. Векслер и Макмиллан поняли, что возрастание массы приводит к уменьшению частоты обращения частиц и к нарушению резонанса между движением частицы и ускоряющим полем. Частицы перестают получать энергию от электрического поля и перестают ускоряться. Поэтому в обычном циклотроне существует предельная энергия, выше которой ускорение невозможно.Но если подсоединить к циклотрону генератор высокочастотного напряжения с перестройкой частоты, это позволит достичь резонанса (синхронизма) между движением частиц и изменением электрического поля. Тогда можно контролировать частоту ускоряющего поля в соответствии с уменьшением частоты обращения частиц или медленно изменять напряженность магнитного поля, чтобы компенсировать уменьшение частоты. Устройство Макмиллана так и назвали синхроциклотрон.Советский синхроциклотрон, получивший названиефазотрон, был построен и запущен примерно в то же время, в 1949 году. Он до сих пор работает, на нем занимаются протонной терапией. Создатели Венедикт Петрович Джелепов и Михаил Григорьевич Мещеряков.Идея Векслера и Макмиллана получила развитие. В мире появились протонные синхротроны Космотрон (1948) и Беватрон (1954). Именно на Беватроне в 1955 году был открыт (искусственно получен) антипротон. Эти два синхротрона отличаются наличием секционированных магнитов с мягкой фокусировкой когда фокусирующее магнитное поле создается формой полюсов. Оно слабое, поэтому и фокусировка называется мягкой. Например, интенсивный пучок в нем запустить нельзя: он быстро развалится. Частицы в синхротроне крутятся по одной и той же равновесной орбите, ускоряются высокочастотным полем в соответствии с принципом автофазировки.В 1957 году, снова под руководством Векслера, в СССР был запущен протонный синхротрон, который называли синхрофазотрон, который также имел мягкую фокусировку. От уже известных синхротронов советский отличался рекордным весом магнита в 36 тысяч тонн. Больше ускорители такого размера не строили. Позднее синхрофазотрон был переделан в ионный, но на начальном этапе он был протонным. Главное открытие, которое совершили на нем, экспериментальное получение сигма-минус-гиперона. Это отрицательно заряженная элементарная частица массой в 2,3 тысячи больше, чем масса электрона.
В 1952 году три американских физика Курант, Ливингстон и Снайдер предложили принцип жесткой фокусировки, который хорошо известен в оптике. Если поставить линзы, чередуя между собой дефокусирующие и фокусирующие, луч не будет убегать, а станет мотаться вокруг оси. То же самое происходит с частицами. А поскольку фокусное расстояние зависит от напряженности магнитного поля, которое можно увеличивать, пока магнит не лопнет или не загорится, то эффект будет гораздо сильнее, и появится возможность сделать более мощные устройства.Жесткая фокусировка позволила уменьшить размеры магнитов. Например, в 1967 году запустили серпуховской синхротрон U-70, выдающий предельные 70 ГэВ, при этом его периметр составлял всего 300 метров. А синхрофазотрон с периметром в 200 метров мог выдавать мощность только 10 ГэВ.Коллайдеры как новый этап развития ускорителей частицРабота с коллайдерами стала следующей ступенькой в изучении частиц: мир перешел к исследованию их соударений. Если одна частица (красная) ударяет зеленую, она разбивает ее и сообщает энергию всем частицам (оранжевые), появившимся в результате удара. Осколки разлетаются под определенным углом, часть энергии от налетевшей частицы остается неиспользованной. А если частицы, красная и зеленая, летят прямо навстречу друг другу и соударяются, они или останавливаются, или полностью разлетаются. Вся энергия удара передается в энергии этих частиц, в том числе и тех, которые родились в результате соударения.Первым в мире заработал электрон-позитронный коллайдер AdA, построенный в Италии. Однако первые результаты наблюдения столкновения частиц были получены на советском коллайдере ВЭП-1 (Встречные электронные пучки). Он создавался в Новосибирске в 1960-х годах под руководством основателя Института ядерной физики Андрея Михайловича Будкера. Первый эксперимент на ВЭП-1 был проведен в 1965 году, а результаты огласили на международной конференции одновременно с докладом американских коллег.Впоследствии свои коллайдеры разрабатывали во Франции, Германии, Японии, Китае. Но самой крупной экспериментальной установкой в мире стал Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider), разработка ЦЕРН. Его запустили в 2007 году, но только к 2012 году он вышел на эксперимент, в котором открыли частицу Хиггса критический компонент, важный для подтверждения механизма обретения массы фундаментальными частицами.Открыть частицу Хиггса удалось только с третьей попытки. Сначала проводили опыты на электрон-позитронном коллайдере (LEP, Large Electron-Positron) в том же ЦЕРН. LEP дал много подтверждений гипотез по Стандартной модели и подошел близко к открытию частицы Хиггса так же близко, как и протон-антипротонный коллайдер Теватрон в Лаборатории имени Ферми. Но именно 4 июля 2012 года объявили, что с помощью БАК Питер Хиггс открыл частицу, позднее названную его именем.Чтобы последующие эксперименты могли приносить подобные открытия, требовалось повысить светимость это характеристика, которая показывает, сколько событий (в данном случае столкновений) в коллайдере происходит за единицу времени. Поэтому следующим этапом развития коллайдеров становится коллайдер HL LHC (high luminosity LHC высокой светимости). В нем планируется увеличить магнитные поля в фокусирующих элементах, интенсивность пучков (определяет частоту появления исследуемых событий в единицу времени) и, наконец, светимость по крайней мере в 10 раз. Это станет возможным благодаря использованию магнитов с большей напряженностью, что позволит держать в кольце частицы большей энергии.Если рассматривать будущее в физике сверхвысоких энергий, то это проект FCC (Future Circular Collider) круговой коллайдер, который на данный момент разрабатывается. Ориентировочный периметр 100 км. Проект очень дорогой, точной оценки стоимости пока нет. В ЦЕРН есть и другой проект CLC (Compact Linear Collider). Он пока находится в стадии заморозки, поскольку является конкурентом кругового коллайдера, а все силы направлены на БАК.Параллельно были предложены и линейные коллайдеры это два линейных ускорителя, работающих навстречу друг другу. Выше упоминался немецкий проект ILC (International Linear Collider), но сейчас он также заморожен. А в Японии уже подготовлен проект, энергия которого будет ниже, чем у FCC, но он тоже полезен. Его строят как фабрику Хиггса, потому что в электрон-позитронных столкновениях за счет высокого свечения рождается больше этих частиц.Интересный момент: в ЦЕРН несколько лет идет эксперимент по разработке замедлителя, поскольку есть задачи, где он необходим: генерация антиводорода, создание антиматерии, соединение антипротонов с позитронами. Антипротоны можно получать и на ускорителях, но, чтобы они захватили позитроны и стали антиатомом, их надо замедлять до десятка электронвольт энергии.Добраться до рождения Вселенной: FAIR и NICAСегодня из астрофизики мы знаем цикл развития Вселенной от Большого взрыва до наших дней. После Большого взрыва была фаза, в которой рождались кварки и глюоны, это называется эрой кварк-глюонной плазмы, и ей сейчас уделяется много внимания ученых. После рождения кварков наступает адрон-лептонная эра, когда появляются легкие и тяжелые частицы. Легкие электроны, позитроны, мюоны, нейтрино, тау-лептон. Из лептонов и адронов слипаются нуклоны, формируются легкие ядра. Они обрастают электронами, образуется материя звезды и галактики.Для изучения сегодня разрабатываются три проекта. Первый FAIR в Германии (Facility for Antiproton and Ion Research, Комплекс для изучения антипротонов и ионов). Он находится рядом с лабораторией GSI (Общество для изучения тяжелых ионов). FAIR синхротрон, где смогут проводить эксперимент на фиксированной мишени для поиска упомянутого состояния кварк-глюонной плазмы. Появится возможность смоделировать условия раннего состояния Вселенной.Второй эксперимент ожидается в брукхейвенской лаборатории вблизи Нью-Йорка, где построен большой синхротрон. Но область, которую планируется изучать, низкоэнергичная, поэтому у устройства невысокая светимость. Здесь же развивают вариант метода электронного охлаждения.В российской Дубне строится NICA коллайдер тяжелых ионов и поляризованных протонов. Это тоже цепочка ускорителей, которая на первой ступени замыкается ионным коллайдером. Позже будет создан поляризованный протонный вариант коллайдера для изучения спиновой физики. На самом деле для этого хватает уровня энергии синхрофазотрона, но на нем недостаточно светимости. Сейчас запускается ускоритель первой ступени бустер, причем он размещен в железном ярме разобранного советского синхрофазотрона. Во-первых, потому что выступает в роли якоря: ядро весит 36 тысяч тонн, и, если его убрать, поедут грунты, здания. Во-вторых, железо является хорошей радиационной защитой.Практическая ценность ускорителейВ строительство и обслуживание ускорителей вкладываются большие деньги например, LHC стоит порядка 7 миллиардов евро. Ясно, что каждый новый коллайдер задел на следующую улучшенную, но еще более дорогую систему. Это кажется игрушками для физиков, которые пытаются разобраться в тонкостях Стандартной модели. Однако есть три ключевых причины изучать ускорители: фундаментальные исследования, развитие техники и применение в других отраслях промышленности, медицины, сельского хозяйства.В первую очередь ускорители частиц от Резерфорда3 до наших дней связаны с получением новых знаний. Физика микромира, которую изучают на ускорителе, сегодня тесно переплетается с астрофизикой. Даже для изучения черных дыр и темной материи тоже требуются ускорители.Вдобавок развитие ускорительной техники приводит к созданию новых технологий в целом. Они находят применение в биологии, где для изучения структуры молекул и ферментов пользуются мультиспиральной компьютерной томографией это рентгеновская томография, которую обрабатывают на компьютерах. Ее бы не было без изучения ускорителей и приборов, которые были построены для изучения элементарных частиц.
Если пойти дальше к онкотерапии, то искусственное изготовление изотопов, которые используются и для лечения, и для диагностики, происходит именно на ускорителях. Радиофармпрепараты создаются на циклотронах, а лучевая терапия осуществляется с помощью ускорителей электронов, протонов и нейтронов.В промышленности с помощью ускорителей облучают зерно для его очистки от микропатогенов это прогрессивный и очень эффективный метод, альтернатива обработке газом и консервантам.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 25.12.2020 10:14:20
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru