Столкновение частиц в коллайдере. Как ученые разгоняют частицы в адронном коллайдере? И что происходит при столкновении частиц? Технические характеристики BAK

Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.

Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.

Амбициозный проект человечества

Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.

Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.

Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц - большого электрон-позитронного коллайдера.

Зачем нужен большой адронный коллайдер

Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.

Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.

Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.

Бозон Хиггса

В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.

Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.

А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.

Как он работает

Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.

Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.

На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.

Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.

Цель оправдывает средства

Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.

Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию - здравствуйте, пушки и ружья!

Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.

Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос "зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас" на самом деле - не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.

Вопросы, на которые не отвечают

Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает...

Опасения научных коллег

Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.

Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков - всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?

Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере...

Информационная диктатура

Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.

Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность - делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ
установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия), а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках). Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях - для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц
(см. также ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ). Согласно квантовой механике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определенной длиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чем меньше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тем больше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромира требовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излучений высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователям лишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученые начали работать над созданием установок, которые могли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуют ускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если, например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорению подвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозного или синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящей мишени интенсивным пучком протонов или дейтронов. Энергия ядерных частиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт - это энергия, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. (1 эВ УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ 1,60219*10-19 Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (10 12) электронвольт - на крупнейшем в мире ускорителе. Для обнаружения в эксперименте редких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этого требуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современной техники ускорителей определяется двумя основными параметрами - энергией и интенсивностью пучка частиц. В современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники: высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системы автоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления, сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как "обычные", так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии:
1) формирование пучка и его инжекция, 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.
Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого ускорителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного потока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов) и высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источника и формирующие его. В источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. В таких условиях атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра - протоны. Такой метод (и аналогичный с другими газами) в усовершенствованном виде по-прежнему применяется для получения пучков протонов (и тяжелых ионов). Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка служит его эмиттанс, т.е. произведение радиуса пучка на его угловую расходимость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходимость), называют яркостью пучка. Во многих приложениях современных ускорителей требуется максимально возможная яркость пучков.
Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц. В первых, простейших ускорителях энергия частиц увеличивалась в сильном электростатическом поле, созданном внутри высоковакуумной камеры. Максимальная энергия, которую при этом удавалось достичь, определялась электрической прочностью изоляторов ускорителя. Во многих современных ускорителях в качестве инжекторов еще используются электростатические ускорители электронов и ионов (вплоть до ионов урана) с энергиями от 30 кэВ до 1 МэВ. Получение высокого напряжения и сегодня остается сложной технической проблемой. Его можно получать, заряжая группу конденсаторов, соединенных параллельно, а затем подключая их последовательно к последовательности ускорительных трубок. Таким способом в 1932 Дж.Кокрофт и Э.Уолтон получали напряжения до 1 МВ. Существенный практический недостаток этого способа в том, что на внешних элементах системы оказывается высокое напряжение, опасное для экспериментаторов. Иной способ получения высокого напряжения был изобретен в 1931 Р.Ван-де-Граафом. В генераторе Ван-де-Граафа (рис. 1) лента из диэлектрика переносит электрические заряды от источника напряжения, находящегося под потенциалом земли, к высоковольтному электроду, повышая тем самым его потенциал относительно земли. Однокаскадный генератор Ван-де-Граафа позволяет получать напряжения до 10 МВ. На многокаскадных высоковольтных ускорителях были получены протоны с энергиями до 30 МэВ.

Если требуется не непрерывный пучок, а короткий импульс частиц с высокой энергией, то можно воспользоваться тем, что кратковременно (менее микросекунды) изоляторы способны выдерживать гораздо более высокие напряжения. Импульсные диоды позволяют получать напряжения до 15 МВ на каскад в схемах с очень низким импендансом. Это позволяет получить токи пучка в несколько десятков килоампер, а не в десятки миллиампер, как на электростатических ускорителях. Обычный способ получения высокого напряжения основан на схеме импульсного генератора Маркса, в которой батарея конденсаторов сначала заряжается параллельно, а затем соединяется последовательно и разряжается через один разрядный промежуток. Высоковольтный импульс генератора поступает в длинную линию, которая формирует импульс, задавая его время нарастания. Линия нагружается электродами, ускоряющими пучок. При высокочастотном ускоряющем напряжении конструкция ускорителя выдерживает без пробоя гораздо более сильные электрические поля, чем при постоянном напряжении. Однако применение высокочастотных полей для ускорения частиц затрудняется тем, что знак поля быстро меняется и поле оказывается то ускоряющим, то замедляющим. В конце 1920-х были предложены два способа преодоления этой трудности, которые применяются теперь в большинстве ускорителей.
ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ
Возможность применения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадных ускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, но и в пространстве. В любой момент времени напряженность поля изменяется синусоидально в зависимости от положения в пространстве, т.е. распределение поля в пространстве имеет форму волны. А в любой точке пространства она изменяется синусоидально во времени. Поэтому максимумы поля перемещаются в пространстве с так называемой фазовой скоростью. Следовательно, частицы могут двигаться так, чтобы локальное поле все время их ускоряло. В линейных ускорительных системах высокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженер Р.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанных высокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазовая скорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения в ускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобно скольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов в процессе ускорения могут сильно увеличиваться. Соответственно этому должна увеличиваться и фазовая скорость волны vфаз. Если электроны могут инжектироваться в ускоритель со скоростью, близкой к скорости света с, то в таком режиме фазовая скорость практически постоянна: vфаз = c. Другой подход, позволяющий исключить влияние замедляющей фазы высокочастотного электрического поля, основан на использовании металлической конструкции, экранирующей пучок от поля в этот полупериод. Впервые такой способ был применен Э.Лоуренсом в циклотроне (см. ниже); он используется также в линейном ускорителе Альвареса. Последний представляет собой длинную вакуумную трубу, в которой расположен целый ряд металлических дрейфовых трубок. Каждая трубка последовательно соединена с высокочастотным генератором через длинную линию, вдоль которой со скоростью, близкой к скорости света, бежит волна ускоряющего напряжения (рис. 2). Таким образом, все трубки по очереди оказываются под высоким напряжением. Заряженная частица, вылетающая из инжектора в подходящий момент времени, ускоряется в направлении первой трубки, приобретая определенную энергию. Внутри этой трубки частица дрейфует - движется с постоянной скоростью. Если длина трубки правильно подобрана, то она выйдет из нее в тот момент, когда ускоряющее напряжение продвинулось на одну длину волны. При этом напряжение на второй трубке тоже будет ускоряющим и составляет сотни тысяч вольт. Такой процесс многократно повторяется, и на каждом этапе частица получает дополнительную энергию. Чтобы движение частиц было синхронно с изменением поля, соответственно увеличению их скорости должна увеличиваться длина трубок. В конце концов скорость частицы достигнет скорости, очень близкой к скорости света, и предельная длина трубок будет постоянной.

Пространственные изменения поля налагают ограничение на временную структуру пучка. Ускоряющее поле изменяется в пределах сгустка частиц любой конечной протяженности. Следовательно, протяженность сгустка частиц должна быть мала по сравнению с длиной волны ускоряющего высокочастотного поля. Иначе частицы будут по-разному ускоряться в пределах сгустка. Слишком большой разброс энергии в пучке не только увеличивает трудности фокусировки пучка из-за наличия хроматической аберрации у магнитных линз, но и ограничивает возможности применения пучка в конкретных задачах. Разброс энергий может также приводить к размытию сгустка частиц пучка в аксиальном направлении. Рассмотрим сгусток нерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью v0. Продольные электрические силы, обусловленные пространственным зарядом, ускоряют головную часть пучка и замедляют хвостовую. Синхронизируя соответствующим образом движение сгустка с высокочастотным полем, можно добиться большего ускорения хвостовой части сгустка, чем головной. Таким согласованием фаз ускоряющего напряжения и пучка можно осуществить фазировку пучка - скомпенсировать дефазирующее влияние пространственного заряда и разброса по энергии. В результате в некотором интервале значений центральной фазы сгустка наблюдаются центрирование и осцилляции частиц относительно определенной фазы устойчивого движения. Это явление, называемое автофазировкой, чрезвычайно важно для линейных ускорителей ионов и современных циклических ускорителей электронов и ионов. К сожалению, автофазировка достигается ценой снижения коэффициента заполнения ускорителя до значений, намного меньших единицы. В процессе ускорения практически у всех пучков обнаруживается тенденция к увеличению радиуса по двум причинам: из-за взаимного электростатического отталкивания частиц и из-за разброса поперечных (тепловых) скоростей. Первая тенденция ослабевает с увеличением скорости пучка, поскольку магнитное поле, создаваемое током пучка, сжимает пучок и в случае релятивистских пучков почти компенсирует дефокусирующее влияние пространственного заряда в радиальном направлении. Поэтому данный эффект весьма важен в случае ускорителей ионов, но почти несуществен для электронных ускорителей, в которых пучок инжектируется с релятивистскими скоростями. Второй эффект, связанный с эмиттансом пучка, важен для всех ускорителей. Удержать частицы вблизи оси можно с помощью квадрупольных магнитов. Правда, одиночный квадрупольный магнит, фокусируя частицы в одной из плоскостей, в другой их дефокусирует. Но здесь помогает принцип "сильной фокусировки", открытый Э.Курантом, С.Ливингстоном и Х.Снайдером: система двух квадрупольных магнитов, разделенных пролетным промежутком, с чередованием плоскостей фокусировки и дефокусировки в конечном счете обеспечивает фокусировку во всех плоскостях. Дрейфовые трубки все еще используются в протонных линейных ускорителях, где энергия пучка увеличивается от нескольких мегаэлектронвольт примерно до 100 МэВ. В первых электронных линейных ускорителях типа ускорителя на 1 ГэВ, сооруженного в Стэнфордском университете (США), тоже использовались дрейфовые трубки постоянной длины, поскольку пучок инжектировался при энергии порядка 1 МэВ. В более современных электронных линейных ускорителях, примером самых крупных из которых может служить ускоритель на 50 ГэВ длиной 3,2 км, сооруженный в Стэнфордском центре линейных ускорителей, используется принцип "серфинга электронов" на электромагнитной волне, что позволяет ускорять пучок с приращением энергии почти на 20 МэВ на одном метре ускоряющей системы. В этом ускорителе высокочастотная мощность на частоте около 3 ГГц генерируется большими электровакуумными приборами - клистронами. Протонный линейный ускоритель на самую высокую энергию был построен в Лосаламосской национальной лаборатории в шт. Нью-Мексико (США) в качестве "мезонной фабрики" для получения интенсивных пучков пионов и мюонов. Его медные резонаторы создают ускоряющее поле порядка 2 МэВ/м, благодаря чему он дает в импульсном пучке до 1 мА протонов с энергией 800 МэВ. Для ускорения не только протонов, но и тяжелых ионов были разработаны сверхпроводящие высокочастотные системы. Самый большой сверхпроводящий протонный линейный ускоритель служит инжектором ускорителя на встречных пучках ГЕРА в лаборатории Немецкого электронного синхротрона (ДЕЗИ) в Гамбурге (Германия).
ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ
Протонный циклотрон. Существует весьма элегантный и экономичный способ ускорения пучка путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот же ускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 Э.Лоуренсом и С.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне. Как и в линейном ускорителе с дрейфовыми трубками, пучок экранируется от действия электрического поля в тот полупериод, когда оно действует замедляюще. Заряженная частица с массой m и зарядом q, движущаяся со скоростью v в магнитном поле H, направленном перпендикулярно ее скорости, описывает в этом поле окружность радиусом R = mv/qH. Поскольку ускорение приводит к увеличению скорости v, возрастает и радиус R. Таким образом, протоны и тяжелые ионы движутся по раскручивающейся спирали все возрастающего радиуса. При каждом обороте по орбите пучок проходит через зазор между дуантами - высоковольтными полыми D-образными электродами, где на него действует высокочастотное электрическое поле (рис. 3). Лоуренс сообразил, что время между прохождениями пучка через зазор в случае нерелятивистских частиц остается постоянным, поскольку возрастание их скорости компенсируется увеличением радиуса. На протяжении той части периода обращения, когда высокочастотное поле имеет неподходящую фазу, пучок находится вне зазора. Частота обращения дается выражением

где f - частота переменного напряжения в МГц, Н - напряженность магнитного поля в Тл, а mc2 - масса частицы в МэВ. Если величина H постоянна в той области, где происходит ускорение, то частота f, очевидно, не зависит от радиуса
(см. также ЛОУРЕНС Эрнест Орландо).

Для ускорения ионов до высоких энергий необходимо лишь, чтобы магнитное поле и частота высоковольтного напряжения отвечали условию резонанса; тогда частицы будут дважды за оборот проходить через зазор между дуантами в нужный момент времени. Для ускорения пучка до энергии 50 МэВ при ускоряющем напряжении 10 кэВ потребуется 2500 оборотов. Рабочая частота протонного циклотрона может составлять 20 МГц, так что время ускорения - порядка 1 мс. Как и в линейных ускорителях, частицы в процессе ускорения в циклотроне должны фокусироваться в поперечном направлении, иначе все они, кроме инжектированных со скоростями, параллельными полюсным наконечникам магнита, выпадут из цикла ускорения. В циклотроне возможность ускорения частиц с конечным разбросом по углам обеспечивается приданием магнитному полю особой конфигурации, при которой на частицы, выходящие из плоскости орбиты, действуют силы, возвращающие их в эту плоскость. К сожалению, по требованиям стабильности сгустка ускоряемых частиц фокусирующая компонента магнитного поля должна уменьшаться с увеличением радиуса. А это противоречит условию резонанса и приводит к эффектам, ограничивающим интенсивность пучка. Другой существенный фактор, снижающий возможности простого циклотрона, - релятивистский рост массы, как необходимое следствие увеличения энергии частиц:

В случае ускорения протонов синхронизм будет нарушаться из-за релятивистского прироста массы примерно при 10 МэВ. Один из способов поддержания синхронизма - модулировать частоту ускоряющего напряжения так, чтобы она уменьшалась по мере увеличения радиуса орбиты и увеличения скорости частиц. Частота должна изменяться по закону

Такой синхроциклотрон может ускорять протоны до энергии в несколько сот мегаэлектровольт. Например, если напряженность магнитного поля равна 2 Тл, то частота должна уменьшаться примерно от 32 МГц в момент инжекции до 19 МГц и менее при достижении частицами энергии 400 МэВ. Такое изменение частоты ускоряющего напряжения должно происходить на протяжении нескольких миллисекунд. После того как частицы достигают высшей энергии и выводятся из ускорителя, частота возвращается к своему исходному значению и в ускоритель вводится новый сгусток частиц. Но даже при оптимальной конструкции магнита и наилучших характеристиках системы подвода высокочастотной мощности возможности циклотронов ограничиваются практическими соображениями: для удержания на орбите ускоряемых частиц с высокой энергией нужны чрезвычайно большие магниты. Так, масса магнита циклотрона на 600 МэВ, сооруженного в лаборатории ТРИУМФ в Канаде, превышает 2000 т, и он потребляет электроэнергию порядка нескольких мегаватт. Стоимость же сооружения сихроциклотрона примерно порпорциональна кубу радиуса магнита. Поэтому для достижения более высоких энергий при практически приемлемых затратах требуются новые принципы ускорения.
Протонный синхротрон. Высокая стоимость циклических ускорителей связана с большим радиусом магнита. Но можно удерживать частицы на орбите с постоянным радиусом, увеличивая напряженность магнитного поля по мере увеличения их энергии. Линейный ускоритель инжектирует на эту орбиту пучок частиц сравнительно небольшой энергии. Поскольку удерживающее поле необходимо лишь в узкой области вблизи орбиты пучка, нет необходимости в магнитах, охватывающих всю площадь орбиты. Магниты расположены лишь вдоль кольцевой вакуумной камеры, что дает огромную экономию средств. Такой подход был реализован в протонном синхротроне. Первым ускорителем подобного типа был "Космотрон" на энергию 3 ГэВ (рис. 4), который начал работать в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1952 в США; за ним вскоре последовал "Беватрон" на энергию 6 ГэВ, построенный в Лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли (США). Сооруженный специально для обнаружения антипротона, он работал на протяжении 39 лет, продемонстрировав долговечность и надежность ускорителей частиц.

В синхротронах первого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР, фокусировка была слабой. Поэтому была велика амплитуда радиальных колебаний частиц в процессе их ускорения. Ширина вакуумных камер составляла примерно 30 см, и в этом все-таки большом объеме требовалось тщательно контролировать конфигурацию магнитного поля. В 1952 было сделано открытие, позволившее резко уменьшить колебания пучка, а следовательно, и размеры вакуумной камеры. Это был принцип сильной, или жесткой, фокусировки. В современных протонных синхротронах со сверхпроводящими квадрупольными магнитами, расположенными по схеме сильной фокусировки, вакуумная камера может быть меньше 10 см в поперечнике, что приводит к значительному уменьшению размеров, стоимости и потребляемой мощности фокусирующих и отклоняющих магнитов. Первым синхротроном, основанным на этом принципе, был "Синхротрон с переменным градиентом" на энергию 30 ГэВ в Брукхейвене. Аналогичная установка была построена в лаборатории Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. В середине 1990-х годов оба ускорителя все еще находились в эксплуатации. Апертура "Синхротрона с переменным градиентом" была примерно в 25 раз меньше, чем у "Космотрона". Потребляемая магнитом мощность при энергии 30 ГэВ примерно соответствовала мощности, потребляемой магнитом "Космотрона" при 3 ГэВ. "Синхротрон с переменным градиентом" ускорял 6Ч1013 протонов в импульсе, что соответствовало самой высокой интенсивности среди установок этого класса. Фокусировка в этом ускорителе осуществлялась теми же магнитами, что и отклоняли пучок; это достигалось приданием полюсам магнита формы, показанной на рис. 5. В современных ускорителях для отклонения и фокусировки пучка, как правило, используются отдельные магниты.

ЛАБОРАТОРИЯ ИМ. Э. ФЕРМИ близ Батавии (США). Длина окружности "Главного кольца" ускорителя составляет 6,3 км. Кольцо расположено на глубине 9 м под окружностью в центре снимка.

В середине 1990-х годов самым крупным протонным синхротроном являлся "Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми в Батавии (США). Как подсказывает само название, "Теватрон" ускоряет сгустки протонов в кольце диаметром 2 км до энергии порядка 1 ТэВ. Ускорение протонов осуществляется целой системой ускорителей, начиная с генератора Кокрофта - Уолтона в качестве инжектора, из которого отрицательные ионы водорода с энергией 750 кэВ вводятся в линейный ускоритель на энергию 400 МэВ. Затем пучок линейного ускорителя пропускается через углеродную пленку для обдирки электронов и инжектируется в промежуточный синхротрон - бустер - диаметром 150 м. В бустере протоны совершают примерно 20 000 оборотов и приобретают энергию 8 ГэВ. Обычно бустер выполняет 12 быстро следующих друг за другом рабочих циклов, в результате которых в "Главное кольцо" - еще один протонный синхротрон с протяженностью кольца 6,3 км - инжектируется 12 сгустков протонов. "Главное кольцо", в котором протоны ускоряются до энергии 150 ГэВ, состоит из 1000 обычных магнитов с медными обмотками, отклоняющих и фокусирующих протоны. Непосредственно под "Главным кольцом" расположен состоящий из 1000 сверхпроводящих магнитов оконечный синхротрон "Теватрон". Пучок может выводиться по многим каналам на расстояние 1,5-3 км для проведения исследований во внешних экспериментальных залах. Для удержания на орбите пучков с более высокими энергиями требуются более сильные отклоняющие и фокусирующие магниты. Предназначенные для субъядерной "микроскопии" протонные синхротроны на энергии больше 1 ТэВ требуют тысяч сверхпроводящих и фокусирующих магнитов длиной 5-15 м с апертурой шириной в несколько сантиметров, обеспечивающих исключительно высокую точность полей и стабильность их во времени. Основными факторами, сдерживающими создание протонных синхротронов на более высокие энергии, являются большая стоимость и сложность управления, связанные с их огромными размерами.
УСКОРИТЕЛИ СО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ
Циклические коллайдеры. Далеко не вся энергия ускоренной частицы идет на осуществление нужной реакции. Значительная ее часть бесполезно теряется в виде отдачи, претерпеваемой частицей мишени в силу закона сохранения импульса. Если налетающая частица имеет энергию Е, а масса частицы покоящейся мишени равна М, то полезная энергия составляет

Таким образом, в экспериментах с покоящейся мишенью на "Теватроне" полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ. Стремление использовать в исследованиях частиц как можно более высокие энергии привело к созданию в ЦЕРНе и Лаборатории им. Э.Ферми протон-антипротонных коллайдеров, а также большого числа установок в разных странах со встречными электрон-позитронными пучками. В первом протонном коллайдере соударения протонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ происходили в кольце с длиной окружности 1,6 км (рис. 6). За несколько дней удавалось накопить пучки с током до 50 А.

В настоящее время коллайдером с самой высокой энергией является "Теватрон", на котором проводятся эксперименты при соударении пучка протонов, имеющих энергию 1 ТэВ, со встречным пучком антипротонов той же энергии. Для таких экспериментов необходимы антипротоны, которые можно получить, бомбардируя пучком протонов высокой энергии из "Главного кольца" металлическую мишень. Рождающиеся в этих соударениях антипротоны накапливают в отдельном кольце при энергии 8 ГэВ. Когда накоплено достаточно много антипротонов, их инжектируют в "Главное кольцо", ускоряют до 150 ГэВ и далее инжектируют в "Теватрон". Здесь протоны и антипротоны одновременно ускоряют до полной энергии, а затем осуществляют их соударения. Суммарный импульс сталкивающихся частиц равен нулю, так что вся энергия 2Е оказывается полезной. В случае "Теватрона" она достигает почти 2 ТэВ. Наибольшая энергия среди электрон-позитронных коллайдеров была достигнута на "Большом электрон-позитронном накопительном кольце" в ЦЕРНе, где энергия сталкивающихся пучков на первом этапе составляла 50 ГэВ на пучок, а затем была увеличена до 100 ГэВ на пучок. В ДЕЗИ сооружен коллайдер ГЕРА, в котором происходят соударения электронов с протонами. Этот огромный выигрыш в энергии достигается ценой значительного уменьшения вероятности столкновений между частицами встречных пучков низкой плотности. Частота столкновений определяется светимостью, т.е. числом столкновений в секунду, сопровождающихся реакцией данного типа, имеющей определенное сечение. Светимость линейно зависит от энергии и тока пучка и обратно пропорциональна его радиусу. Энергию пучка коллайдера выбирают в соответствии с энергетическим масштабом исследуемых физических процессов. Для обеспечения наибольшей светимости необходимо добиться максимально возможной плотности пучков в месте их встречи. Поэтому главной технической задачей при проектировании коллайдеров является фокусировка пучков в месте их встречи в пятно очень малых размеров и увеличение тока пучка. Для достижения нужной светимости могут потребоваться токи более 1 А. Еще одна исключительно сложная техническая проблема связана с необходимостью обеспечивать в камере коллайдера сверхвысокий вакуум. Поскольку столкновения между частицами пучков происходят сравнительно редко, соударения с молекулами остаточного газа могут существенно ослаблять пучки, уменьшая вероятность изучаемых взаимодействий. Кроме того, рассеяние пучков на остаточном газе дает нежелательный фон в детекторе, способный замаскировать изучаемый физический процесс. Вакуум в камере коллайдера должен лежать в пределах 10-9 - 10-7 Па (10-11 - 10-9 мм рт. ст.) в зависимости от светимости. При более низких энергиях можно ускорять более интенсивные пучки электронов, что дает возможность исследовать редкие распады В- и К-мезонов, обусловленные электрослабыми взаимодействиями. Ряд таких установок, иногда называемых "фабриками ароматов", сооружается в настоящее время в США, Японии и Италии. Такие установки имеют два накопительных кольца - для электронов и для позитронов, пересекающихся в одной или двух точках, - областях взаимодействия. В каждом кольце содержится много сгустков частиц при полном токе более 1 А. Энергии пучков выбираются с таким расчетом, чтобы полезная энергия соответствовала резонансу, который распадается на изучаемые короткоживущие частицы - В- или К-мезоны. В основе конструкции этих установок лежат электронный синхротрон и накопительные кольца.
Линейные коллайдеры. Энергии циклических электрон-позитронных коллайдеров ограничиваются интенсивным синхротронным излучением, которое испускают пучки ускоренных частиц (см. ниже). Этого недостатка нет у линейных коллайдеров, в которых синхротронное излучение не сказывается на процессе ускорения. Линейный коллайдер состоит их двух линейных ускорителей на высокие энергии, высокоинтенсивные пучки которых - электронный и позитронный - направлены навстречу друг другу. Пучки встречаются и соударяются только один раз, после чего отводятся в поглотители. Первым линейным коллайдером является "Стэнфордский линейный коллайдер", использующий Стэнфордский линейный ускоритель длиной 3,2 км и работающий при энергии 50 ГэВ. В системе этого коллайдера сгустки электронов и позитронов ускоряются в одном и том же линейном ускорителе и разделяются по достижении пучками полной энергии. Затем электронные и позитронные сгустки транспортируются по отдельным дугам, форма которых напоминает трубки медицинского стетоскопа, и фокусируются до диаметра около 2 мкм в области взаимодействия.
Новые технологии. Поиски более экономичных методов ускорения привели к созданию новых ускорительных систем и высокочастотных генераторов большой мощности, работающих в диапазоне частот от 10 до 35 ГГц. Светимость электрон-позитронных коллайдеров должна быть исключительно высокой, поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергии частиц. Соответственно этому и плотности пучков должны быть чрезвычайно высокими. В линейном коллайдере на энергию порядка 1 ТэВ размеры пучков могут достигать 10 нм, что намного меньше размеров пучка в "Стэнфордском линейном коллайдере" (2 мкм). При столь малых размерах пучков для точного согласования фокусирующих элементов необходимы очень мощные стабильные магниты со сложными электронными автоматическими регуляторами. При прохождении электронного и позитронного пучков друг через друга их электрическое взаимодействие нейтрализуется, а магнитное усиливается. В результате магнитные поля могут достигать 10 000 Тл. Такие гигантские поля способны сильно деформировать пучки и приводить к большому энергетическому разбросу вследствие генерации синхротронного излучения. Эти эффекты наряду с экономическими соображениями, связанными с сооружением все более и более протяженных машин, будут ставить предел энергии, достижимой на электронно-позитронных коллайдерах.
ЭЛЕКТРОННЫЕ НАКОПИТЕЛИ
Электронные синхротроны основаны на тех же принципах, что и протонные. Однако благодаря одной важной особенности они проще в техническом отношении. Малость массы электрона позволяет инжектировать пучок при скоростях, близких к скорости света. Поэтому дальнейшее увеличение энергии не связано с заметным увеличением скорости, и электронные синхротроны могут работать при фиксированной частоте ускоряющего напряжения, если пучок инжектируется с энергией около 10 МэВ. Однако это преимущество сводится на нет другим следствием малости электронной массы. Поскольку электрон движется по круговой орбите, он движется с ускорением (центростремительным), а потому испускает фотоны - излучение, которое называется синхротронным. Мощность Р синхротронного излучения пропорциональна четвертой степени энергии пучка Е и току I, а также обратно пропорциональна радиусу кольца R, так что она пропорциональна величине (E/m)4IR -1. Эта энергия, теряемая при каждом обороте электронного пучка по орбите, должна компенсироваться высокочастотным напряжением, подаваемым на ускоряющие промежутки. В рассчитанных на большие интенсивности "фабриках аромата" такие потери мощности могут достигать десятков мегаватт. Циклические ускорители типа электронных синхротронов могут использоваться и как накопители больших циркулирующих токов с постоянной высокой энергией. Такие накопители имеют два основных применения: 1) в исследованиях ядра и элементарных частиц методом встречных пучков, о чем говорилось выше, и 2) как источники синхротронного излучения, используемые в атомной физике, материаловедении, химии, биологии и медицине. Средняя энергия фотонов синхротронного излучения пропорциональна (E/m)3R-1. Таким образом, электроны с энергией порядка 1 ГэВ, циркулирующие в накопителе, испускают интенсивное синхротронное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Большая часть фотонов испускается в пределах узкого вертикального угла порядка m/E. Поскольку радиус электронных пучков в современных накопителях на энергию порядка 1 ГэВ измеряется десятками микрометров, пучки испускаемого ими рентгеновского излучения характеризуются высокой яркостью, а потому могут служить мощным средством исследования структуры вещества. Излучение испускается по касательной к криволинейной траектории электронов. Следовательно, каждый отклоняющий магнит электронного накопительного кольца, когда через него проходит сгусток электронов, создает разворачивающийся "прожекторный луч" излучения. Оно выводится по длинным вакуумным каналам, касательным к основной вакуумной камере накопителя. Расположенные вдоль этих каналов щели и коллиматоры формируют узкие пучки, из которых далее с помощью монохроматоров выделяется нужный диапазон энергий рентгеновского излучения. Первыми источниками синхротронного излучения были установки, первоначально сооруженные для решения задач физики высоких энергий. Примером может служить Стэнфордский позитрон-электронный накопитель на энергию 3 ГэВ в Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения. На этой установке в свое время были открыты "очарованные" мезоны. Первые источники синхротронного излучения не обладали той гибкостью, которая позволяла бы им удовлетворять разнообразным нуждам сотен пользователей. Быстрый рост потребности в синхротронном излучении с высоким потоком и большой интенсивностью пучка вызвал к жизни источники второго поколения, спроектированные с учетом потребностей всех возможных пользователей. В частности, были выбраны системы магнитов, уменьшающие эмиттанс электронного пучка. Малый эмиттанс означает меньшие размеры пучка и, следовательно, более высокую яркость источника излучения. Типичными представителями этого поколения явились накопители в Брукхейвене, служившие источниками рентгеновского излучения и излучения вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Яркость излучения можно также увеличить, заставив пучок двигаться по синусоидальной траектории в периодической магнитной структуре и затем объединяя излучение, возникающее при каждом изгибе. Ондуляторы - магнитные структуры, обеспечивающие подобное движение, представляют собой ряд магнитных диполей, отклоняющих пучок на небольшой угол, расположенных по прямой на оси пучка. Яркость излучения такого ондулятора может в сотни раз превышать яркость излучения, возникающего в отклоняющих магнитах. В середине 1980-х годов начали создаваться источники синхротронного излучения третьего поколения с большим числом таких ондуляторов. Среди первых источников третьего поколения можно отметить "Усовершенствованный источник света" с энергией 1,5 ГэВ в Беркли, генерирующий мягкое рентгеновское излучение, а также "Усовершенствованный источник фотонов" с энергией 6 ГэВ в Аргоннской национальной лаборатории (США) и синхротрон на энергию 6 ГэВ в Европейском центре синхротронного излучения в Гренобле (Франция), которые используются как источники жесткого рентгеновского излучения. После успешного сооружения этих установок был создан ряд источников синхротронного излучения и в других местах. Новый шаг в направлении большей яркости в диапазоне от инфракрасного до жесткого рентгеновского излучения связан с использованием в системе отклоняющих магнитов "теплых" магнитных диполей с напряженностью магнитного поля около 1,5 Тл и гораздо более коротких сверхпроводящих магнитных диполей с полем в несколько тесла. Такой подход реализуется в новом источнике синхротронного излучения, создаваемом в институте П. Шеррера в Швейцарии, и при модернизации источника в Беркли. Применение синхротронного излучения в научных исследованиях получило большой размах и продолжает расширяться. Исключительная яркость таких пучков рентгеновского излучения позволяет создать новое поколение рентгеновских микроскопов для изучения биологических систем в их нормальной водной среде. Открывается возможность быстрого анализа структуры вирусов и белков для разработки новых фармацевтических препаратов с узкой направленностью действия на болезнетворные факторы и минимальными побочными эффектами. Яркие пучки рентгеновского излучения могут служить мощными микрозондами для выявления самых ничтожных количеств примесей и загрязнений. Они дают возможность очень быстро анализировать экологические пробы при исследовании путей загрязнения окружающей среды. Их можно также использовать для оценки степени чистоты больших кремниевых пластин перед дорогостоящим процессом изготовления очень сложных интегральных схем, и они открывают новые перспективы для метода литографии, позволяя в принципе создавать интегральные схемы с элементами меньше 100 нм.
УСКОРИТЕЛИ В МЕДИЦИНЕ
Ускорители играют важную практическую роль в медицинской терапии и диагностике. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным. См. также

Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.

До какого предела можно раздробить крупицу вещества, например песчинку? Из чего состоит окружающий нас мир? Как, когда и откуда появились звёзды, планеты и всё остальное? Эти вопросы давно не дают человеку покоя. И чем глубже проникают учёные в тайны природы, тем сложнее становятся научные эксперименты.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наверное, каждый из нас хотя бы раз пытался разобрать игрушку, чтобы посмотреть, что у нее внутри. Подобное любопытство движет и учёными, которые стремятся выяснить устройство материи вплоть до самых элементарных кирпичиков. А чтобы проводить такие исследования, проектируют и строят специальные экспериментальные установки - ускорители.

На границе Швейцарии и Франции, глубоко под землёй, проходит огромный кольцевой тоннель. Его длина - без малого 27 км. Когда-то, еще в 80-е годы XX века, этот тоннель прорыли для того, чтобы исследователи из ЦЕРНа - Европейского центра ядерных исследований - могли разгонять в нём до огромных скоростей электроны и позитроны. Теперь в этом самом тоннеле создан новый ускоритель, который получил название «Большой адронный коллайдер».

Что это такое?

Слово «коллайдер» происходит от английского collide - сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. В обычных ускорителях пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.

Почему коллайдер называется адронным? Среди элементарных частиц есть семейство адронов. К нему относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов - то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.

Разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, что имеет электрический заряд. Например, нейтрон - частица нейтральная, что видно из названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами эксперимента станут протоны (ядра атомов водорода) и тяжёлые ядра свинца.

На сегодняшний день Большой адронный коллайдер - самый мощный в мире. С его помощью физики надеются получить протоны с энергией 7ТэВ (тераэлектронвольт, то есть 10 12 эВ). Это значит, что при столкновении выделится суммарная энергия 14 ТэВ. Чтобы достичь такой энергии, протоны должны лететь почти со световой скоростью (если точнее, то со скоростью, которая составляет 0,999999991 от скорости света). При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километровому кольцу 11 000 раз! Пучок протонов может летать внутри коллайдера 10часов. За это время он преодолеет более 10 миллиардов километров - расстояние до планеты Нептун и обратно.

Как он устроен?

Вдоль всего тоннеля установлены сверхпроводящие магниты. Частицы разгоняются в электрическом поле, а магнитное поле направляет их по круговой траектории - иначе они врежутся в стенку. Поскольку магниты не простые, а сверхпроводящие (только они позволяют достичь требуемых величин магнитного поля), то для работы их необходимо охладить до температуры 1,9 К. Это ниже, чем температура в космическом пространстве (2,7 К). Чтобы получить космический холод в земных условиях, в охлаждающие системы коллайдера требуется залить 120 т жидкого гелия.

Два пучка движутся во встречных направлениях по двум кольцевым трубам. Ничто не должно мешать движению частиц, поэтому воздух из труб откачан до глубокого вакуума. Столкновения могут происходить только в четырёх точках, где трубы пересекаются. Столкновение двух частиц «лоб в лоб» - событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.

Зачем он нужен?

Взаимодействие и превращения известных на сегодняшний день элементарных частиц неплохо описывает теория, называемая Стандартной моделью. Но на некоторые вопросы эта теория ответить не может. Например, она не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют её вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица - бозон Хиггса. Её-то и надеются обнаружить физики при столкновении протонных пучков с большой энергией. Возможно, что Большой адронный коллайдер поможет нам понять, что такое тёмная материя и тёмная энергия, на которые, как считают астрофизики, приходится более 95% всей материи во Вселенной.

В столкновениях пучков тяжёлых ядер физики надеются создать условия Большого взрыва - отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кварк-глюонная плазма. По прошествии одной сотой доли микросекунды кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но как знать, быть может, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей - ведь при столкновении ядер свинца предполагается достичь температуры, в сто тысяч раз превышающей температуру в центре Солнца.

Как увидеть невидимое?

К сожалению, в распоряжении учёных нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму: через ничтожно короткий промежуток в 10 -23 секунды она исчезнет без следа. О результатах эксперимента приходится судить по «уликам» - следам, оставленным частицами, родившимся в ходе эксперимента. Как шутят физики, это не легче, чем воссоздать облик Чеширского кота по его улыбке.

О чёрных дырах и «конце света»

С Большим адронным коллайдером связано множество мифов. Например, говорят о том, что при столкновении частиц с высокой энергией образуется чёрная дыра, в которую может «затянуть» всю нашу планету, и наступит «конец света». На самом деле рекордная для физики элементарных частиц энергия в 14 ТэВ чрезвычайно мала - это две миллионные доли джоуля. Чтобы довести до кипения один литр воды, потребуется энергия более ста миллиардов протон-протонных столкновений. Кроме того, Землю в течение миллиардов лет бомбардируют космические частицы с энергией в миллионы раз большей, чем энергия протонов в ускорителе. И пока ни к каким ужасным последствиям это не привело. Правда, некоторые физики полагают, что чёрные дыры в коллайдере появятся - но микроскопические и очень коротко живущие.

Энергию измеряют в разных единицах - в джоулях, калориях, киловатт-часах. В международную систему СИ входит только джоуль. Но в физике элементарных частиц для измерения энергии чаще всего используют электронвольт и его производные - КэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ. Электронвольт - удобная единица. Она основана на понятном представлении, что одиночный электрон ускоряется разностью потенциалов в 1 вольт и приобретает при этом определенное количество энергии. 1 эВ = 1,6.10 -19 Дж. В электронвольтах измеряют не только энергию, но и массу. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc 2 , энергия и масса - две стороны одной монеты. Масса может трансформироваться в энергию и наоборот. В коллайдере такие превращения происходят при каждом столкновении.

То, что вещество состоит из неделимых частиц - атомов, предположил древнегреческий ученый Демокрит (кстати, «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но лишь через многие столетия физики доказали, что так оно и есть. Потом обнаружилось, что атом на самом деле разделить можно, - он состоит из электронов и ядра, а ядро - из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. Физики считают, что кварки - предел деления материи и ничего меньше на свете нет. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского glue - клей).

Физика элементарных частиц изучает самые крошечные объекты в природе. Размер атома равен 10 -10 м, размер атомного ядра - 10 -14 м, размеры протона и нейтрона - 10 -15 м, электроны меньше 10 -18 м, а кварки меньше 10 -19 м. Чтобы сравнить эти числа, представим, что диаметр протона будет равен примерно 10 см. Тогда электроны и кварки окажутся меньше 0,1 мм, а весь атом будет иметь 10 км в поперечнике.

Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.

Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: « – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.

На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?

Весь мир состоит из элементарных частиц , которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».

Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего» , которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.

Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн . Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.

Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).

«К коллайдеру!»

Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.

Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.

История создания БАК

Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)

Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны , и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.

Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН) , которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.

ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.

В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.

Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).

На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.

«Любопытство – не порок, но большое свинство»

27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.

Цели , которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:

Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.

Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.

Чего удалось достичь?

Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса . Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».

Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны . Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон . Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.

Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.

Какие планы?

Hans G / flickr.com (CC BY-SA 2.0)

Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики .

Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны . Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.

Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей . Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.

Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.

На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Большой адронный коллайдер самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц – , испытания которого идут в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), еще до своего пуска стал предметом судебного иска. Кто и почему судился с учеными?

Не судите большой адронный коллайдер… Жители штата Гавайи Уолтер Вагнер и Луис Санчо обратились в федеральный окружной суд Гонолулу с иском против ЦЕРНа, а также американских участников проекта – Министерства энергетики, Национального научного фонда и Национальной лаборатории ускорителей имени Э. Ферми вот по какой причине.

⦳⦳⦳⦳⦳

Американские обыватели опасались, что столкновения имеющих огромную энергию субатомных частиц, которые будут проводиться в ускорителе, чтобы имитировать события, происходившие во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва, могут создать объекты, угрожающие существованию Земли .

Большой адронный коллайдер в Церне. В рамке – моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS

Опасность, по мнению истцов, представляют в первую очередь так называемые черные дыры – физические объекты, которые могут поглотить часть объектов на нашей планете – например, какой-нибудь крупный город.

Несмотря на то что иск поступил в суд в начале апреля 2008 года, специалисты вовсе не отнеслись к нему как к первоапрельской шутке.

А устроили 6 апреля в Центре ядерных исследований день открытых дверей, пригласив на экскурсию по ускорителю представителей общественности, журналистов, студентов и школьников, чтобы те не только смогли своими глазами увидеть уникальный научный инструмент, но и получить исчерпывающие ответы на все интересующие их вопросы.

Прежде всего, конечно, организаторы проекта постарались убедить посетителей в том, что БАК никак не может стать виновником «конца света».

Да, находящийся в кольцевом туннеле с длиной окружности в 27 км коллайдер (от англ. collide – «сталкиваться») способен разгонять протонные пучки и сталкивать их с энергией до 14 тераэлектронвольт 40 млн раз в секунду.

Физики полагают, что при этом можно будет воссоздать условия, которые возникли спустя одну триллионную долю секунды после Большого Взрыва, и таким образом получить ценную информацию о самом начале существования Вселенной.

Большой адронный коллайдер и черная дыра

Но вот относительно того, что при этом возникнет черная дыра или вообще неизвестно что, представитель ЦЕРНа Джеймс Джилльс высказал большие сомнения. И не только потому, что оценка безопасности коллайдера постоянно проводится теоретиками, но и исходя просто из практики.

«Важным аргументом в пользу того, что эксперименты ЦЕРНа безопасны, является уже само существование Земли, – сказал он.

– Наша планета постоянно подвергается воздействию потоков космического излучения, энергия которых не уступает, а зачастую и превосходит церновские, – и до сих пор не уничтожена ни черной дырой, ни иными причинами.

Между тем, как мы подсчитали, за время существования Вселенной природой выполнено по меньшей мере 1031 программ, подобных той, что мы только собираемся осуществить»…

Не видит он особой опасности и в возможности возникновения неконтролируемой реакции аннигиляции с участием античастиц, которые возникнут в результате экспериментов.

«Антивещество в ЦЕРНе действительно производят, – подтвердил ученый в интервью журналу New Scientist.

– Однако тех его крох, что можно искусственно создать на Земле, не хватило бы даже на самую маленькую бомбу.

Хранить же и накапливать антивещество исключительно трудно (а некоторые его виды – вообще невозможно)»…

Большой адронный коллайдер и бозон

Поиски бозона. Кстати, тот же журнал писал, что российские специалисты – профессор Ирина Арефьева и доктор физико-математических наук Игорь Волович из Математического института имени Стеклова в Москве – полагают, что масштабный эксперимент в ЦЕРНе может привести и к появлению первой… машины времени в мире.

Я попросил прокомментировать это сообщение профессора Ирину Ярославовну Арефьеву. И вот что она рассказала:

«Мы все еще довольно мало знаем об устройстве окружающего нас мира. Помните, древние греки полагали, что все объекты состоят из атомов, что в переводе с греческого означает “неделимый”.

Однако со временем выяснилось, что и сами атомы имеют довольно сложное устройство, состоят из электронов, протонов и нейтронов. В первой половине XX века вдруг оказалось, что те же электроны с протонами и нейтронами в свою очередь могут делиться на ряд частиц.

Поначалу их опрометчиво назвали элементарными. Однако к настоящему времени выясняется, что и многие из этих так называемых элементарных частиц могут в свою очередь делиться…

В общем, когда теоретики попытались свести все полученные знания в рамках так называемой Стандартной модели, то оказалось, что центральным ее звеном, по некоторым данным, являются хиггс-бозоны».

Загадочная частица получила свое название по имени профессора Питера Хиггса из Эдинбургского университета. В отличие от профессора Хиггинса из известного мьюзикла, он занимался не обучением правильному произношению симпатичных девушек, а познанием законов микромира.

И еще в 60-х годах прошлого столетия сделал такое предположение: «Вселенная вовсе не пуста, как нам кажется.

Все ее пространство заполнено некоей тягучей субстанцией, через которую осуществляется, например, гравитационное взаимодействие между небесными телами, начиная от частиц, атомов и молекул и кончая планетами, звездами и галактиками».

Говоря совсем уж попросту, П. Хиггс предложил вернуться к идее «всемирного эфира», которая однажды была уж отвергнута. Но поскольку физики, как и прочие люди, не любят сознаваться в своих ошибках, то новую-старую субстанцию теперь называют «полем Хиггса».

И ныне считается, что именно оно, это силовое поле, придает ядерным частицам массу. А их взаимное притяжение обеспечивается носителем гравитации, который вначале было назвали гравитоном, а теперь – хиггс-бозоном.

В 2000 году физикам показалось, что они, наконец, «поймали» бозон Хиггса. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее многие ученые уверены, что частица все-таки существует.

И чтобы поймать ее, надо просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители. Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями был построен в ЦЕРНе близ Женевы.

Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения ученых, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной».

«Есть, в частности, и экзотические предположения по поводу устройства Вселенной,
– продолжала свой рассказ профессор И.Я. Арефьева.
– Традиционная теория говорит о том, что мы живем в четырехмерном мире
– три пространственные координаты плюс время.

Большой адронный коллайдер теория измерений

Но есть гипотезы предполагающие, что на самом деле измерений больше – шесть или десять, а то и больше. В этих измерениях сила гравитации может быть существенно выше, чем привычное нам g.

А гравитация, согласно уравнениям Эйнштейна, может влиять на течение времени. Отсюда и возникла гипотеза о “машине времени”. Но она даже если и существует, то в течение очень короткого времени и в очень малом объеме»…

Столь же экзотична, по мнению Ирины Ярославовны, и гипотеза об образовании при столкновении встречных пучков миниатюрных черных дыр. Даже если они и образуются, то время жизни их будет столь ничтожно, что их будет чрезвычайно трудно просто обнаружить.

Разве что по косвенным признакам, например рентгеновскому излучению Хокинга, да и то уже после того, как сама дыра исчезнет.

Словом, реакции, по некоторым расчетам, будут происходить в объеме всего лишь 10–20 куб. см и настолько быстро, что экспериментаторам придется немало поломать голову, чтобы поставить нужные датчики в соответствующих местах, получить данные и затем соответствующим образом их интерпретировать.

Продолжение следует… С той поры, когда профессором Арефьевой были сказаны вышеприведенные слова, до момента написания данных строк прошло почти пять лет.

За это время состоялся не только первый пробный пуск БАКа и еще несколько последующих. Как вы теперь сами знаете, все остались живы, и ничего страшного не произошло. Работы продолжаются…

Ученые только жалуются, что им очень трудно следить за исправностью всего оборудования этой уникальной научной установки. Тем не менее они уже мечтают о строительстве гигантского ускорителя частиц следующего поколения – Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC).

ЦЕРН, Швейцария. Июнь 2013.

Во всяком случае, вот что пишут по этому поводу Барри Бэриш, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института, который руководит работами по проектированию Международного линейного коллайдера, его коллеги

– Николас Уокер Уокер, специалист в области физики ускорителей из Гамбурга, и Хитоши Ямамото, профессор физики в университете Тохоку в Японии.

Большой адронный коллайдер будущего

«Конструкторы ILC уже определили основные параметры будущего коллайдера, – сообщают ученые.

– Его длина – около 31 км; основную часть займут два сверхпроводящих линейных ускорителя, которые обеспечат электрон-позитронные столкновения с энергией 500 ГэВ.

Пять раз в секунду ILC будет генерировать, ускорять и сталкивать почти 3000 электронных и позитронных сгустков в импульсе длительностью 1 мс, что соответствует мощности 10 МВт для каждого пучка.

КПД установки составит около 20 %, следовательно, полная мощность, которая понадобится ILC для ускорения частиц, составит почти 100 МВт».

Для создания пучка электронов мишень из арсенида галлия будет облучаться лазером; при этом в каждом импульсе из нее будут выбиваться миллиарды электронов.

Эти электроны сразу будут ускорены до 5 ГэВ в коротком линейном сверхпроводящем ускорителе, а затем инжектированы в 6,7-километровое накопительное кольцо, расположенное в центре комплекса.

Двигаясь в кольце, электроны будут генерировать синхротронное излучение, и сгустки сожмутся, что увеличит плотность заряда и интенсивность пучка.

На середине пути при энергии 150 Мэв электронные сгустки будут слегка отклонены и направлены в специальный магнит, так называемый ондулятор, где некоторая часть их энергии преобразуется в гамма-излучение.

Гамма-фотоны попадут на мишень из титанового сплава, вращающуюся со скоростью около 1000 оборотов в минуту.

При этом образуется множество электрон-позитронных пар. Позитроны будут захвачены, ускорены до 5 ГэВ, после чего попадут в другое сжимающее кольцо и, наконец, во второй главный линейный сверхпроводящий ускоритель на противоположном конце ЛС.

Когда энергия электронов и позитронов достигнет конечной величины в 250 ГэВ, они устремятся к точке столкновения. После столкновения продукты реакции будут направляться в ловушки, где и зафиксируются.

Большой адронный коллайдер видео