В подмосковной Дубне 19 декабря 2020 года началась работа с пучком
частиц ионов гелия, запущенных в Бустерныйсинхротрон,первый из трех
кольцевых ускорителей проекта 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 коллайдеры
отличаются от ускорителей и зачем нужны проекты, подобные NICA и
Большому адронному коллайдеру, ПостНауке рассказал ученый,
специалист в области физики и техники ускорителей Игорь Николаевич
Мешков.Это материал из гида Атомы науки, приуроченного к 75-летию
атомной промышленности. Партнер гида Росатом.Что такое ускорители
заряженных частицСо времен знаменитых опытов ЭрнестаРезерфорда1 по
рассеянию альфа-частиц из радиоактивного источника на мишени,
позволивших подтвердить гипотезу солнечной модели атома, физики
пытались найти способ получать быстрые частицы для зондирования ими
вещества. Так пришли к ускорителям устройствам, которые разгоняют
частицы до определенного уровня энергии. Ускоритель действует на
частицу, даже искусственно созданную, толькоесли она обладает
электрическим зарядом. Такие частицы реагируют на воздействие
электрических и магнитных 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 в
процессе взаимодействия разгоняемых частиц с частицами мишени или
друг с другом. В этом случае можно получать и нейтральные (не
имеющие электрического заряда) частицы: нейтроны, нейтрино,
нейтральные пионы. Аеще кварки, несущие дробный заряд, и их
производные:мезоны, пионы, различные атомные ядра, экзотические
частицы.Современные ускорители высоких энергий это тоннели длиной
от сотен метров до километров, сотни тонн магнитови международные
команды ученых из десятков стран, управляющие этой сложной
экспериментальной техникой.Самый простой ускоритель можно сделать и
дома. Возьмите электрическую лампочку накаливания, обязательно с
нитью накаливания; наденьте на стеклянный баллон лампочки
металлическое кольцо и подсоедините лампочку к батарейке карманного
фонарика. Убедившись, что она светится, подсоедините лампочку к
другой батарейке, подав минус на цоколь лампочки, а плюс на
металлическое кольцо. Ускоритель начинает работать: из нити
вылетают электроны и ускоряются электрическим полем второй
батарейки. В этом можно убедиться, включив между цоколем и кольцом
микроамперметр (тестер), который покажет ток электронов,
пролетающих через вакуум лампочки к кольцу. Правда, очень быстро
электроны зарядят стекло лампочки и будут от него отражаться ток
прекратится. Подвесив на ниточке металлический шарик, можно по его
отклонению от вертикали обнаружить электрическое поле зарядившегося
стекла, как поступил Шарль Кулон в 1785 году.Электроны, ускоренные
напряжением между нитью и лампой, будут при торможении испускать
инфракрасное излучение. Интересно, что рентгеновский источник
работает примерно так же: электроны, ускоренные от десятков до
сотен кэВ (в зависимости от задачи), бомбардируют мишень и
испускают при этом электромагнитные волны рентгеновского
диапазона.Первые ускорителиПервый шаг в разработке ускорителей
заряженных частиц сделал американский инженер Роберт Ван-де-Грааф в
1931 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 электрический 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 современные конструкции используют
до сих пор. Рекордное напряжение, полученное на таких ускорителях,
составило около 15 миллионов вольт невероятные цифры для того
времени.
На год позже два английских физика Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон
придумали электростатический ускоритель умножитель напряжений. Он
состоял из нескольких каскадов конденсаторов и диодов. В этом
устройстве переменное напряжение поступало на конденсаторы,
последовательно соединенные через диоды (что отчетливо видно на
фотографии ниже), выпрямлялось и заряжало конденсаторы до
напряжения, равногоамплитуде переменного напряжения. Так
последовательно складывалась цепочка заряженных конденсаторов
возникало высокое постоянное напряжение. Прибор получил название
умножитель напряжения Кокрофта Уолтона.
Кокрофт и Уолтон провели первый физический эксперимент на
ускорителе, бомбардируя ядрами водорода (протонами) литиевую
мишень, и обнаружили, что из нее парами вылетают альфа-частицы.
Тогда уже было известно, что у лития атомная масса равна 7, а у
альфа-частицы 4, азаряд равен двум зарядам электрона (по абсолютной
величине). Это была первая искусственная ядерная реакция,
полученная на ускорителях:Следует заметить, что в том же году был
открыт нейтрон (n), но не на ускорителе, а бомбардировкой
бериллиевой мишени альфа-частицами из радиоактивного изотопа
полония, которые имеют энергию 5,305 миллионаэВ:Ещераньше, в 1828
году, норвежский физик Рольф Видероэ, учившийся в Германии,
запатентовал схему линейного ускорителя протонов и электронов,
основанную на резонансном принципе прохождения зазоров с ускоряющим
напряжением. Ускоритель состоит из цепочки соосных металлических
полых цилиндров (пролетные, или дрейфовые, трубки), размещенных в
вакуумированном баке. К трубкам от генератора попарно
прикладывается переменное высокочастотное (ВЧ) напряжениетак, что
если на одной из трубок напряжение положительное (плюс), то на двух
соседних оно отрицательное (минус). И так по всей цепочке трубок. В
этом случае на выходе из трубки плюс частица, несущая положительный
заряд, напримерпротон,попадает в положительное электрическое поле и
ускоряется. Внутри трубок электрического поля нет, и в трубке минус
частица движется с постоянной скоростью. Чтобы в следующим зазоре
возобновить ускорение, напряжение на трубке минус за время пролета
частицы через нее должно изменить знак на противоположный, то есть
на плюс. Это означает, что время пролета через трубку равно
полупериоду переменного напряжения. Но по мере ускорения частицы ее
скорость растет, тогда как частота и период Т напряжения генератора
постоянны. Поэтому, чтобы частица каждый раз попадала в n-й зазор
при ускоряющем поле в нем, длина трубки Ln должна увеличиваться с
ростом скорости:Это и есть условие синхронизации. Метод ускорения
Видероэ заложен в основу линейных ускорителей частиц.Ускоритель
Видероэ был для своего времени довольно сложным техническим
сооружением: напряжение от генератора подавалось на дрейфовые
трубки по кабелям через вакуумные вводы, а сам генератор требовал
значительной мощности высокочастотного напряжения. Поэтому свое
развитие схема Видероэ получила только в середине XX века.
Потребовалось 18 лет, чтобы американский физик Луис Альварес
придумал более простой и изящный метод подачи высокочастотного
напряжения на ускоряющие зазоры междутрубками. В его схеме цепочка
пролетных трубок также размещается в вакуумированном баке, но сам
бак имеет специальную конструкцию ВЧ-резонатора, в котором
генератором возбуждается стоячая или бегущая в зависимости от
конструкцииволна электромагнитного поля. В зазорах между трубками
электрическое поле, направленное вдоль оси, имеет одинаковое
направление, поэтому формула синхронизации утрачивает 1/2:
Ускорители Видероэ применяются и сегодня (до энергии частиц около
20 МэВ), где они выигрывают у ускорителей Альвареса из-за своей
компактности. В то же время последние работают вплоть до
ультрарелятивистских энергий. Самый большой из них Стэнфордский
двухмильный линейный ускоритель1 электронов в американском Stanford
Linear Accelerator Center (SLAC), он разгоняет электроны до энергии
20 ГэВ. Ускоритель имеет 960 ускоряющих станций. Именно на линаке
SLAC поставили рекорд ускорения электронов до энергии 50 ГэВ.От
циклотронов к синхрофазотронуВ 1929 году американский физик Эрнест
Лоуренс заинтересовался работами Видероэ и решил попробовать
мысленно согнутьдлинный линейный ускоритель в кольцо, чтобы
заставить частицы двигаться по кольцевой траектории. Для этого
нужно запустить частицы в магнитное поле, перпендикулярное
плоскости кольца. А чтобы их ускорить, нужно разрезать кольцо по
диаметру, немного раздвинуть и приложить к зазору переменное
высокочастотноенапряжение. Получается однозазорный линейный
ускоритель, свернутый в плоскую спираль устройство, гораздо
компактнее линейного ускорителя. Ведь чем длиннее устройство, тем
оно дороже, при этом происходит большая потеря энергии. Свой
ускоритель Лоуренс назвал циклотрон. Фактическиэто был первый
резонансный циклический ускоритель,до него существовали только
линейные.Циклотрон Лоуренса работал с постоянным магнитным полем и
с высокочастотнымнапряжением постоянной частоты и амплитудой
V0:Если частицы, двигаясь по спирали, пролетают через зазор при
правильном направлении поля (по ходу для положительно заряженных
частиц), их энергия возрастает на величину eV(t), зависящую от
времени. А к моменту, когда частицы, преодолев половину круга,
пересекают зазор в обратном направлении, напряжение и поле уже
сменят знак, опять увеличивая энергию частиц. По мере наращивания
кругов в этой спирали энергия частиц растет. Постепенно энергия
частицы достигает релятивистских значений, при которых ее импульс р
уже сложно зависит от скорости, а с ним и частота обращения частицы
:Отсюда следует, что с ростом энергии и скорости частицы частота
обращения, которая при v < c была постоянной и равной 0,
возрастает. В результате частица с каждым оборотом пересекает
ускоряющий зазор всё при меньших значениях напряжения и получает
все меньше энергии (скатывается с максимума синусоиды (5)), пока не
попадет в область отрицательных значений напряженности и ускорение
не прекратится. Этот эффект нарушения синхронизации и ограничивает
предельную энергию частиц, ускоряемых в циклотронах.
Циклотрон ускоритель исключительно для тяжелых частиц,
напримерпротонов. Электроны, масса которых в 1836 раз меньше массы
протона, слишком быстро достигают при ускорении релятивистских
скоростей и предельной энергии. Соответственно, если протоны в
циклотронах удается ускорять до энергии порядка 300 МэВ, то для
электронов эта предельная энергия будет в отношение масс меньше, то
есть порядка 200 кэВ.Для электронов еще Видероэ пытался создать
циклический ускоритель, он даже построил его модель, но электроны
отказались в нем крутиться. Пользуясь его разработками,
американский физик Дональд Керст построил и запустил в 1940 году
свой первый бетатрон. Этот ускоритель работал на импульсном
магнитном поле, которое было сформировано так, что одновременно
удерживало электроны и ускоряло их вихревым электрическим полем,
возникавшим вокруг силовых линий аксиально-симметричного
переменного магнитного поля.Бетатроны ускоряют электроны до энергии
порядка десятков мегаэлектронвольтов, и выведенный пучок,
сброшенный на мишень, генерирует тормозное рентгеновское излучение,
которое используется для радиографии просвечивания различных
устройств.Физики не смирились с ограничением энергии частиц в
циклотронах, которое подсунулаим природа. В 1944 году советский
физик Владимир Иосифович Векслер, вернувшись из эвакуации в Москву,
опубликовал работу, в которой он описал предложенный им принцип
автофазировки, позволявший достигать высокой энергии частиц в
циклических ускорителях, подобных циклотронам, но отличавшихся
маленькой деталью: частота высокочастотногонапряжения в ускорителях
Векслера не оставалась постоянной, а возрастала по мере увеличения
энергии (скорости) частиц и частоты их обращения.Годом позже
американский физик Эдвин Макмиллан предложил независимо от Векслера
точно такой же метод ускорения частиц в циклотронах с изменяющейся
частотой. Свой метод Макмиллан назвал почти так же: phase stability
principle(принцип стабильности фазы). Макмиллан не знал о работе
Векслера, который опубликовал ее в советском физическом журнале (в
военное время пресса не переводилась в США). Со временем история
стала известна, Макмиллан сразу же признал первенство Векслера, но
когда Нобелевский комитет решил присудить премии обоим
изобретателям, возникло неожиданное препятствие: нужно было по
установленным правилам присуждения Нобелевской премии познакомить
представителей комитета с ускорителем, на котором предложенный
принцип был экспериментально подтвержден. Им оказался электронный
синхротрон, построенный Владимиром Иосифовичем в Физическом
институте Академии наук. О синхротронах речь пойдет дальше, а
сейчас только скажем, что синхротрон этот был построен по программе
советского атомного проекта, а потому строго засекречен.
Комитетчиков, естественно, посмотреть синхротрон не пустили. В
итоге Нобелевский комитет отказал в премии обоим. Правда, спустя
несколько лет Макмиллан получил Нобелевскую премию по химии за
ядерный синтез изотопов, не существующих в природе.Свое открытие
Макмиллан использовал в проекте гигантского циклотрона диаметром
184 дюйма (4,67 метров), который строился в его институте в Беркли
(США). Для достижения проектной энергии протонов 100 МэВ циклотрону
нужен был генератор высокочастотногонапряжения большой мощности,
которого пока не было. Применение принципа автофазировки позволило
уменьшить вес магнита и, главное, мощность ВЧ-генератора.
Ускоритель получил название синхроциклотрон.Первый советский
синхроциклотрон, получивший название Фазотрон, был построен в
рамках советского атомного проекта и запущен в 1949 году. Его
создатели Венедикт Петрович Джелепов и Михаил Григорьевич
Мещеряков. Фазотрон до сих пор работает:на его протонном пучке
проводятся сеансы радиационной терапии.Принцип Векслера Макмиллана
сталбазовым принципом резонансного метода ускорения.Вслед за
синхроциклотронами в мире появились гиганты протонные синхротроны.
Вначале Космотрон, построенный в Брукхейвенской лаборатории около
Нью-Йорка (1948) на энергию 3 ГэВ, затем Беватрон в институте в
Беркли (1954) на энергию 6 ГэВ. Именно на Беватроне в 1955 году был
открыт (искусственно получен) антипротон p, в реакции столкновении
протона с ядром атома водорода pH:В синхротронах частицы, в отличие
от синхроциклотронов, вращаются по постоянной орбите, которая
поддерживается секционированными магнитами (рис. Синхротрон).
Магниты в первых синхротронах имели скошенные полюса, что создавало
неоднородное магнитное поле, обеспечивающее фокусировку пучка
удержание частиц на орбите. Этот способ назвали мягкой
фокусировкой, в отличие от жесткой, появившейся в 1952 году (см.
ниже).
В синхротронах магнитное поле увеличивается по мере ускорения
частиц, согласованно с их энергией, что и обеспечивает постоянство
орбиты, а частота изменяется согласованно со скоростью частиц,
равняясь частоте обращения частиц на орбите. Для электронов легких
частиц скорость достигает 0,9897 от скорости света уже при энергии
3 МэВ (6 энергий покоя электрона), и частота остается дальше
практически постоянной. Для тяжелых частиц частота должна строго
следовать значению скорости частицы, которая растет с энергией
частицы Е по релятивистскому закону:
В 1957 году под руководством Векслерав СССР был запущен протонный
синхротрон, который называли синхрофазотрон. Он также имел мягкую
фокусировку. От уже известных синхротронов советский отличался
энергией ускоренных протонов (10 ГэВ) и рекордным весом магнита в
36 тысяч тонн. Позднее синхрофазотрон был переделан в ионный, но на
начальном этапе он был протонным. Главное открытие, которое
совершили на нем, экспериментальное получение частицы
сигма-минус-гиперон. Это отрицательно заряженная частица с массой,
которая в 1,28 раза больше массы протона. Ее открытие было
значительным шагом в понимании строения
элементарныхчастиц.Синхрофазотрон был последним синхротроном с
мягкой фокусировкой. В 1952 году три американских физика Эрнест
Курант, Милтон Ливингстон и Хартланд Снайдер предложили принцип
жесткой фокусировки, который хорошо известен в оптике, но так там
не называется. Если поставить линзы, чередуя между собой
фокусирующие и дефокусирующие, луч не будет убегать, а станет
мотатьсявокруг оси. То же самое происходит с частицами. Только для
заряженных частиц лучше всего подходят так называемые квадрупольные
линзы электростатические и магнитные. Их фокусное расстояние
зависит от напряженности поля, которое линейно увеличивается с
расстоянием частицы от оси линзы, но не искажает траектории частиц
пучка, проходящей через ось линзы, где ееполе равно нулю. Поэтому
поле линзы можно регулировать независимо от поля магнитов,
связанного с энергией частиц.
Коллайдеры как новый этап развития ускорителей частицРабота со
встречными пучками, или коллайдерами, как их вскоре стали называть,
стала следующей ступенькой в изучении частиц микромира. Разговоры о
встречных пучках начались еще в 1940-х годах, когда всетот же
изобретательный Рольф Видероэ получил немецкий патент на схему
таких ускорителей. Опубликован патент был лишь в 1953 году. А в
1956-м Дональд Керст с соавторами предложили схему встречных пучков
протонов. Примерно в то же время в Институте атомной энергии (ИАЭ)
в Москве Герш Ицкович Будкер пришел к Игорю Васильевичу Курчатову с
идеей встречных электрон-электронных пучков. Это предложение Игорь
Васильевич направил на экспертизу академикам и получил очевидный
ответ: Идея прекрасная, но нереализуемая. Тем не менее Игорь
Васильевич дал проекту зеленый свет.Вскоре в Новосибирске было
организовано Сибирское отделение АН СССР и Институт ядерной физики,
директором которого стал Будкер. Была построена установка ВЭП-1
(Встречные электронные пучки), начаты эксперименты по упругому
рассеянию электронов на встречных электронах. Конкуренты не
заставили себя ждать:в Италии в лаборатории Национального института
физики (INFN) во Фраскати был построен электрон-позитронный
коллайдер AdA (Anello Di Accumulazione накопительное кольцо) на
энергию 250 МэВ, перевезенный позднее во Францию, а в SLAC (США)
электрон-электронный коллайдер на энергию 500 МэВ. Первые
результаты были опубликованы новосибирской группой в 1965 году,
азатем, осенью того же года, на общей конференции в Италии
новосибирской и американской группами. Так началась эра
коллайдеров.Зачем же нужны коллайдеры?Ответ кроется в кинематике
столкновений. В классической постановке эксперимента по
столкновению быстрых частиц с ядрами атомов покоящейся мишени со
времен Резерфорда было понятно,что заметная доля энергии налетающей
частицы пропадает зря: даже если она заставит покоящийся партнер
двигаться (а ещелучше развалит его на части), то все вместе они
будут продолжать движение в направлении скорости налетающей
частицы. Это следует из третьего закона Ньютона закона сохранения
импульса.
Впервые линейный коллайдер два линейных ускорителя, стреляющих
навстречу друг другу, был предложен в конце 1980-х годах в ИЯФ СО
АН СССР. Проект также прошел стадию предварительной разработки,была
показана его реализуемость. Затем в центре DESY (Deutsche
Synchrotron) близ Гамбурга был разработан и начал строиться
Международный линейный коллайдер (International Linear Collider,
ILC). Проект далеко продвинулся, когда правительство ФРГ решило
проект закрыть, а на его базе построить линейный ускоритель
рентгеновский лазер на свободных электронах (X-ray Free Electron
Laser), который теперь успешно работает на другие задачи:биологию,
физику твердого тела, материаловедение.В конце 1990-х годах в
гонкувключилась Япония, где также появился международный проект
ILC. Как и CLIС, его осуществление сдерживается отсутствием
достаточного финансирования, в том числе в рамках международного
сотрудничества. Оба проекта, CLIС и японский ILC, проектируются как
электрон-позитронные коллайдеры высокой светимости фабрики бозонов
Хиггса, при рождении которых можно будет регистрировать редкие
события, открывающие новую физику beyond LHC.Впоследствии свои
коллайдеры разрабатывали в ЦЕРН, СССР и России, Франции, Германии,
Японии, США, Китае. Но самой крупной экспериментальной установкой в
мире стал Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider,LHC),
построенный в 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
образования массы у фундаментальных частиц.Открыть частицу Хиггса
удалось только с третьей попытки. Сначала проводили опыты на
электрон-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron,LEP) в том
же ЦЕРН. LEP во многом подтвердил структуру Стандартной модели (СМ)
и близко подошел к открытию частицы Хиггса, которой не хватало для
завершения Стандартной модели. Еще ближе подошли исследователи на
протон-антипротонном коллайдере Теватрон в лаборатории имени Ферми
близ Чикаго (США). Но именно в ЦЕРН 4 июля 2012 года объявили, что
в двух экспериментах, проводившихся параллельно на LHC, в
столкновениях встречных пучков протонов была многократно
зарегистрирована реакция рождения вторичных частиц, которая шла
через образование частицы Хиггса. Так было закончено формирование
Стандартной модели, а основной вклад в создание этой гипотезы
внесли шестеро теоретиков разных лабораторий мира. Трое из них были
удостоены Нобелевской премии, в том числе Питер Хиггс, который
первым, еще в 1960-х годах, заявил о существовании этой частицы
неудивительно, что ей присвоили его имя.А что же дальше?
Исследования продолжаются, ведутся новые и новые эксперименты с
целью закрасить белые пятна Стандартной модели(beyond Standard
Model), которых еще предостаточно. Чтобы последующие эксперименты
могли приносить подобные открытия, требуется повысить светимость
это характеристика, показывающая, сколько событий (в данном случае
столкновений частиц) в коллайдере или на покоящейся мишени
происходит за единицу времени. Поэтому следующим этапом развития
коллайдеров стал коллайдер HL LHC (High Luminosity LHC,Большой
адронный коллайдер высокой светимости). В нем планируется увеличить
магнитные поля в фокусирующих элементах, чтобы сжать пучки и
повысить их интенсивность. Все это и определяет частоту
столкновений, то есть светимость, которую планируется повысить по
крайней мерев 10 раз. Это станет возможным благодаря использованию
сверхпроводящих магнитов с высоким значением поля. А тогда можно
будет поднять и энергию сталкивающихся частиц.Если рассматривать
будущее в физике сверхвысоких энергий, то это проект FCC (Future
Circular Collider, Круговой коллайдер будущего). Проект, который на
данный момент разрабатывается в ЦЕРН, очень дорогой, точной оценки
стоимости пока нет. Периметр кольца около 100 километров.
Разработка ведется международной командой, в которую входят и
российские специалисты.В ЦЕРН есть и другой коллайдерный проект
Compact Linear Collider (CLC).Он уже много лет находится в стадии
технического проектирования и моделирования. Судьба его пока не
определена.Физика на ускорителях требует не только высоких и
сверхвысоких энергий, но и умеренныхи даже сверхнизких. К последним
относятся эксперименты в ЦЕРН по генерации атомов антиводорода
атомов, состоящих из антипротона и позитрона (антиэлектрона). Для
их генерации требуются антипротоны и позитроны возможно низкой
энергии, которые рекомбинируют (объединяются в атом). Первые
рождаются и замедляются на протонных синхротронах, вторые получают
из радиоактивных источников, после чего те и другие накапливаются и
соединяются в специальных магнитных ловушках. На полученных атомах
антиводорода ставятся эксперименты по изучению свойств антиматерии,
в том числе антигравитации. Генерация антиводорода далеко
продвинутая техника, а вот их изучение только начинается.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 рождения кварков и глюонов это называется
эрой кварк-глюонной плазмы, и ей сейчас уделяется много внимания
ученых. После рождения кварков наступает адрон-лептонная эра, когда
появляются тяжелые (адроны) и легкие (лептоны) частицы. Легкие
электроны, позитроны, мюоны, нейтрино, тау-лептон. Тяжелые
соединение. Из адронов кварков и глюонов образуются нуклоны, из них
формируются ядра. Они обрастают электронами, образуется материя
звезды и галактики.Для изучения кварк-глюонной плазмы 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 ускорительный комплекс, включающий
синхротрон SIS-100 (Superconducting Ion Synchrotron) и несколько
накопительных колец, где смогут проводить эксперименты на
фиксированной мишени для поиска упомянутого состояния
кварк-глюонной плазмы, а также накапливать антипротоны и различные
ионы. Появится возможность смоделировать условия раннего состояния
Вселенной.Второй эксперимент ожидается в Брукхейвенской лаборатории
вблизи Нью-Йорка, где построен тяжелоионный коллайдер RHIC
(Relativistic Heavy Ion Collider). Но область, которую планируется
изучать, требует тяжелых ионов невысокой энергии, где RHIC имеет
невысокую светимость. Чтобы получить светимость достаточного
уровня, разрабатывается оригинальный вариант метода электронного
охлаждения.Третий проект разрабатывается с 2006 года в России, в
международном Объединенном институте ядерных исследований в Дубне,
где строится ускорительный комплекс Nuclotron-based Ion Collider
fAcility (NICA), включающий два протонных синхротрона и коллайдер,
работающий в двух режимах: столкновения тяжелых ионов для изучения
физики кварк-глюонной плазмы и столкновения поляризованных протонов
для исследования так называемой физики спина свойства частиц иметь
собственный механический момент (вести себя как волчок).На самом
деле для обеих задач хватает уровня энергии синхрофазотрона, но на
нем было недостаточно светимости. Сейчас запускается ускоритель
первой ступени Бустер. Он размещен в стальном ярме разобранного
синхрофазотрона во-первых, потому, что выступает в роли якоря: ярмо
весит 36 тысяч тонн, и если его убрать, то поедут грунты ифундамент
здания. Во-вторых, сталь является хорошей радиационной защитой. И
наконец, в-третьих, синхрофазотрон является символом ОИЯИ и
города.Практическая ценность ускорителейВ строительство и
обслуживание ускорителей вкладываются большие деньги.Например, LHC
стоит порядка 7 миллиардов евро, и 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 и понять, что за ней стоит. Опыт
показывает, что с развитием экспериментальной техники наши знания
обогащаются все новыми представлениями об устройстве мира. Однако
есть три ключевые причины совершенствовать ускорители:
фундаментальные исследования, развитие технологий, востребованных
ускорительной техникой, и применение ускорителей и технологий на их
основе в других отраслях промышленности, медицины, сельского
хозяйства.Прежде всего, быстрые частицы от Резерфорда 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 требуются
ускорители.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, информацию с
которой обрабатывают на компьютерах. Ее бы не было без создания
ускорителей и детекторов, построенных для изучения ядерной материи
на пучках ускоренных частиц.В медицине изотопы, изготовленные на
ускорителях, используются для лечения и диагностики.
Радиофармпрепараты создаются в основном на циклотронах, а лучевая
терапия осуществляется с помощью ускорителей электронов, протонов,
ионов углерода и нейтронов.Современная микроэлектроника невозможна
без облучения чиповускоренными ионами определенных видов. В
космической технике ускорители востребованы для тестирования
электронных приборов на устойчивость к космическому излучению.В
сельском хозяйстве электронные ускорители облучают зерно, очищая
его от микропатогенов. Это прогрессивный и очень эффективный метод,
а главное, он безвреден, в отличие от обработки газом и
консервантами.Таких примеров можно привести множество. И достижения
ускорительной техники и технологий с лихвой окупают затраты на
разработку новых ускорителей.
