Пов'язані частки у великому колайдері. Звідки беруться частки для прискорювачів

Скорочено БАК (Large Hadron Collider, скорочено LHC) - прискорювач заряджених частинок на зустрічних пучках, призначений для розгону протонів і важких іонів (іонів свинцю) і вивчення продуктів їх зіткнень. Колайдер побудований у ЦЕРНі (Європейська рада ядерних досліджень), що знаходиться біля Женеви, на кордоні Швейцарії та Франції. ВАК є найбільшою експериментальною установкою у світі. У будівництві та дослідженнях брали участь і беруть участь понад 10 тис. вчених та інженерів із понад 100 країн.

Великим названо через свої розміри: довжина основного кільця прискорювача становить 26 659 м; адронним - через те, що він прискорює адрони, тобто важкі частинки, що складаються з кварків; колайдер (англ. collider - зіштовхувач) - через те, що пучки частинок прискорюються в протилежних напрямках і стикаються в спеціальних точках зіткнення.

Технічні характеристики BAK

У прискорювачі передбачається зіштовхувати протони з сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або 14 · 1012 електронвольт) у системі центру мас налітають частинок, а також ядра свинцю з енергією 5 ГеВ (5 · 109 електронвольт) на кожну пару стал. На початок 2010 року ВАК вже трохи перевершив енергії протонів попереднього рекордсмена - протон-антипротонний колайдер Теватрон, який до кінця 2011 року працював у Національній прискорювальній лабораторії ім. Енріко Фермі (США). Незважаючи на те, що налагодження обладнання розтягується на роки і ще не завершено, ВАК вже став найвищим енергійним прискорювачем елементарних частинок у світі, на порядок перевершуючи по енергії інші колайдери, у тому числі і релятивістський колайдер важких іонів RHIC, що працює в Брукхейвенській лабораторії (США ).

Світимість ВАК під час перших тижнів роботи пробігу була трохи більше 1029 частинок/см 2 ·с, проте вона продовжує постійно підвищуватися. Метою є досягнення номінальної світності в 1,7 1034 частинок/см 2 с, що по порядку величини відповідає світимостей BaBar (SLAC, США) і Belle (англ.) (KEK, Японія).

Прискорювач розташований у тому ж тунелі, який раніше займав Великий електрон-позитронний колайдер. Тунель із довжиною кола 26,7 км прокладено під землею на території Франції та Швейцарії. Глибина залягання тунелю - від 50 до 175 метрів, причому кільце тунелю нахилено приблизно на 1,4% щодо поверхні землі. Для утримання, корекції та фокусування протонних пучків використовуються 1624 надпровідні магніти, загальна довжина яких перевищує 22 км. Магніти працюють при температурі 1,9 K (-271 °C), що трохи нижче температури переходу гелію в надплинний стан.

Детектори ВАК

На ВАК працюють 4 основні та 3 допоміжні детектори:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – великі детектори, розташовані навколо точок зіткнення пучків. Детектори TOTEM і LHCf - допоміжні, знаходяться на відстані в кілька десятків метрів від точок перетину пучків, які займають детектори CMS і ATLAS відповідно, і будуть використовуватися попутно з основними.

Детектори ATLAS та CMS - детектори загального призначення, призначені для пошуку бозона Хіггса та «нестандартної фізики», зокрема темної матерії, ALICE – для вивчення кварк-глюонної плазми у зіткненнях важких іонів свинцю, LHCb – для дослідження фізики b-кварків, що дозволить краще зрозуміти відмінності між матерією та антиматерією, TOTEM - призначений для вивчення розсіювання частинок на малі кути, таких що відбувається при близьких прольотах без зіткнень (так звані частинки, що не зіштовхуються, forward particles), що дозволяє точніше виміряти розмір протонів, а також контролювати світність коллайдера, і, нарешті, LHCf - для дослідження космічних променів, що моделюються за допомогою тих же часток, що не зіштовхуються.

З роботою ВАК пов'язаний також сьомий, зовсім незначний у плані бюджету і складності, детектор (експеримент) MoEDAL, призначений для пошуку важких частинок, що повільно рухаються.

Під час роботи колайдера зіткнення проводяться одночасно у всіх чотирьох точках перетину пучків, незалежно від типу частинок, що прискорюються (протони або ядра). При цьому всі детектори набирають одночасно статистику.

Прискорення частинок у колайдері

Швидкість частинок у ВАК на зустрічних пучках близька до швидкості світла у вакуумі. Розгін частинок до таких великих енергій досягається кілька етапів. На першому етапі низькоенергетичні лінійні прискорювачі Linac 2 та Linac 3 виробляють інжекцію протонів та іонів свинцю для подальшого прискорення. Потім частинки потрапляють у S-бустер і далі в сам S (протонний синхротрон), набуваючи енергію в 28 ГеВ. За цієї енергії вони вже рухаються зі швидкістю близькою до світлової. Після цього прискорення частинок продовжується в SPS (протонний суперсинхротрон), де енергія частинок досягає 450 ГеВ. Потім потік протонів направляють в головне 26,7-кілометрове кільце, доводячи енергію протонів до максимальних 7 ТЕВ, і в точках зіткнення детектори фіксують події, що відбуваються. Два зустрічні пучки протонів при повному заповненні можуть містити 2808 згустків кожен. на початкових етапахналагодження процесу прискорення циркулюють лише по одному згустку в пучку довжиною кілька сантиметрів і невеликого поперечного розміру. Потім починають збільшувати кількість згустків. Згустки розташовуються у фіксованих позиціях щодо один одного, які синхронно рухаються вздовж кільця. Згустки певної послідовності можуть зіштовхуватися в чотирьох точках кільця, де розташовані детектори частинок.

Кінетична енергія всіх згустків адронів у БАК при повному його заповненні порівнянна з кінетичною енергією реактивного літака, хоча маса всіх частинок не перевищує нанограма і їх навіть не можна побачити неозброєним оком. Така енергія досягається рахунок швидкості частинок, близької до швидкості світла.

Згустки проходять повне коло прискорювача швидше, ніж за 0,0001 сек, здійснюючи таким чином понад 10 тис. оборотів в секунду

Цілі та завдання ВАК

Головне завдання Великого адронного колайдера - з'ясувати влаштування нашого світу на відстанях менше 10 -19 м, "промацавши" його частинками з енергією кілька ТЕВ. На цей час вже накопичилося багато непрямих свідчень те, що у цьому масштабі фізикам має відкритися якийсь «новий пласт реальності», вивчення якого дасть відповіді багато питань фундаментальної фізики. Яким саме виявиться цей пласт реальності – наперед не відомо. Теоретики, звісно, ​​запропонували вже сотні різноманітних явищ, які б спостерігатися на енергіях зіткнень у кілька ТеВ, але саме експеримент покаже, що насправді реалізується у природі.

Пошук Нової фізики Стандартна модель не може вважатися остаточною теорією елементарних частинок. Вона має бути частиною деякої більш глибокої теорії будови мікросвіту, тією частиною, яка видно в експериментах на колайдерах при енергіях нижче приблизно 1 ТеВ. Такі теорії колективно називають "Нова фізика" або "За межами Стандартної моделі". Головне завдання Великого адронного колайдера – отримати хоча б перші натяки на те, що це за глибша теорія. Для подальшого об'єднання фундаментальних взаємодій в одній теорії використовуються різні підходи: теорія струн, що отримала свій розвиток у М-теорії (теорії бран), теорія супергравітації, петлева квантова гравітація та ін. Деякі з них мають внутрішні проблеми, і в жодній з них немає експериментального підтвердження. Проблема у цьому, що з проведення відповідних експериментів потрібні енергії, недосяжні на сучасних прискорювачах заряджених частинок. ВАК дозволить провести експерименти, які раніше були неможливими і, ймовірно, підтвердить або спростує частину цих теорій. Так, існує цілий спектр фізичних теорій з розмірностями більше чотирьох, які передбачають існування «суперсиметрії» - наприклад, теорія струн, яку іноді називають теорією суперструн саме через те, що без суперсиметрії вона втрачає фізичний зміст. Підтвердження існування суперсиметрії таким чином буде непрямим підтвердженням істинності цих теорій. Вивчення топ-кварків Топ-кварк - найважчий кварк і, більш того, це найважча з відкритих поки що елементарних частинок. Згідно з останніми результатами Теватрон, його маса становить 173,1 ± 1,3 ГеВ/c 2 . Через свою велику масу топ-кварк досі спостерігався поки лише на одному прискорювачі - Теватроні, на інших прискорювачах просто не вистачало енергії для його народження. Крім того, топ-кварки цікавлять фізиків не лише власними силами, а й як «робочий інструмент» для вивчення бозона Хіггса. Один з найважливіших каналів народження бозона Хіггса в ВАК - асоціативне народження разом з топ-кварк-антикварковою парою. Для того, щоб надійно відокремлювати такі події від фону, необхідно вивчення властивостей самих топ-кварків. Вивчення механізму електрослабкої симетрії Однією з основних цілей проекту є експериментальний доказ існування бозона Хіггса – частки, передбаченої шотландським фізиком Пітером Хіггсом у 1964 році у рамках Стандартної моделі. Бозон Хіггса є квантом так званого поля Хіггса, при проходженні через яке частинки відчувають опір, що надається як поправки до маси. Сам бозон нестабільний і має більшу масу (понад 120 ГеВ/c 2 ). Насправді фізиків цікавить не стільки сам бозон Хіггса, скільки хіггсівський механізм порушення симетрії електрослабкої взаємодії. Вивчення кварк-глюонної плазми Очікується, що приблизно один місяць на рік проходитиме у прискорювачі в режимі ядерних зіткнень. Протягом цього місяця колайдер розганятиме і зіштовхуватиме в детекторах не протони, а ядра свинцю. При непружному зіткненні двох ядер на ультрарелятивістських швидкостях на короткий час утворюється і потім розпадається щільна і дуже гаряча грудка ядерної речовини. Розуміння явищ, що відбуваються при цьому (перехід речовини в стан кварк-глюонної плазми та її охолодження) необхідне для побудови більш досконалої теорії сильних взаємодій, яка виявиться корисною як для ядерної фізики, так і для астрофізики. Пошук суперсиметрії Першим значним науковим досягненням експериментів на ВАК може стати доказ чи спростування «суперсиметрії» - теорії, яка свідчить, що будь-яка елементарна частка має набагато важчого партнера, або «суперчастку». Вивчення фотон-адронних та фотон-фотонних зіткнень Електромагнітна взаємодія частинок описується як обмін (у ряді випадків віртуальними) фотонами. Іншими словами, фотони є переносниками електромагнітного поля. Протони електрично заряджені та оточені електростатичним полем, відповідно це поле можна розглядати як хмару віртуальних фотонів. Будь-який протон, особливо релятивістський протон, включає хмару віртуальних частинок як складову частину. При зіткненні протонів між собою взаємодіють і віртуальні частки, що оточують кожен із протонів. Математично процес взаємодії частинок описується довгим рядом поправок, кожна з яких описує взаємодію за допомогою віртуальних частинок певного типу (див. діаграми Фейнмана). Таким чином, при дослідженні зіткнення протонів опосередковано вивчається і взаємодія речовини з фотонами високих енергій, що становить великий інтерес для теоретичної фізики. Також розглядається особливий клас реакцій – безпосередня взаємодія двох фотонів, які можуть зіткнутися як із зустрічним протоном, породжуючи типові фотон-адронні зіткнення, так і один з одним. У режимі ядерних зіткнень, через великий електричний заряд ядра, вплив електромагнітних процесів має ще більше значення. Перевірка екзотичних теорій Теоретики наприкінці XX століття висунули величезну кількість незвичайних ідей щодо устрою світу, які разом називаються «екзотичними моделями». Сюди відносяться теорії з сильною гравітацією на масштабі енергій порядку 1 ТеВ, моделі з великою кількістю просторових вимірювань, преонні моделі, в яких кварки та лептони самі складаються з частинок, моделі з новими типами взаємодії. Справа в тому, що накопичених експериментальних даних виявляється все ще недостатньо для створення однієї-єдиної теорії. А самі ці теорії сумісні з наявними експериментальними даними. Оскільки в цих теоріях можна зробити конкретні передбачення для ВАК, експериментатори планують перевіряти передбачення та шукати сліди тих чи інших теорій у своїх даних. Очікується, що результати, отримані на прискорювачі, зможуть обмежити фантазію теоретиків, закривши деякі запропоновані побудови. Інше Також очікується виявлення фізичних явищ поза рамками Стандартної Моделі. Планується дослідження властивостей W та Z-бозонів, ядерних взаємодій при надвисоких енергіях, процесів народження та розпадів важких кварків (b та t).

Словосполучення «Великий адронний колайдер» настільки глибоко осіло в мас-медіа, що про цю установку знає переважна кількість людей, серед яких і ті, чия діяльність жодним чином не пов'язана з фізикою елементарних частинок, і з наукою взагалі.

Справді, такий масштабний і дорогий проект не міг обійти стороною ЗМІ – кільцева установка довжиною майже 27 кілометрів, ціною десятка мільярдів доларів, з якою працює кілька тисяч наукових співробітників з усього світу. Неабиякий внесок у популярність колайдера зробила так звана «частка Бога» або бозон Хіггса, який був успішно розрекламований, і за який Пітер Хіггс отримав нобелівську премію з фізики у 2013 році.

Насамперед слід зазначити, що Великий адронний колайдер не будувався з нуля, а виник на місці свого попередника — Великого електрон-позитронного колайдера (Large Electron-Positron collider або LEP). Робота над 27-кілометровим тунелем розпочалася 1983-го року, де надалі планувалося розташувати прискорювач, який здійснюватиме зіткнення електроном та позитронів. У 1988-му році кільцевий тунель зімкнувся, при цьому робітники підійшли до проведення тунелю настільки ретельно, що розбіжність між двома кінцями тунелю становила лише 1 сантиметр.

Прискорювач пропрацював до кінця 2000 року, коли досяг свого піку – енергії в 209 ГеВ. Після цього розпочався його демонтаж. За одинадцять років своєї роботи LEP приніс фізиці низку відкриттів, серед яких – відкриття W та Z бозонів та їх подальші дослідження. На основі результатів цих досліджень було зроблено висновок про подібність механізмів електромагнітної та слабкої взаємодій, внаслідок чого почалися теоретичні роботи з об'єднання цих взаємодій у електрослабку.

У 2001-му році на місці електрон-позитронного прискорювача почалося будівництво Великого адронного колайдера. Будівництво нового прискорювача завершилося наприкінці 2007 року. Він розташовувався на місці LEP – на кордоні між Францією та Швейцарією, у долині Женевського озера (15 км від Женеви), на глибині ста метрів. У серпні 2008 року почалися випробування колайдера, а 10 вересня відбувся офіційний запуск БАКа. Як і у випадку з попереднім прискорювачем, будівництво та робота з установкою очолюється Європейською організацією з ядерних досліджень – ЦЕРН.

ЦЕРН

Коротко варто сказати про організацію CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ця організація виступає у ролі найбільшої світової лабораторії у сфері фізики високих енергій. Включає три тисячі постійних співробітників, і ще кілька тисяч дослідників та науковців із 80 країн беруть участь у проектах ЦЕРНу.

На даний момент учасниками проекту є 22 країни: Бельгія, Данія, Франція, Німеччина, Греція, Італія, Нідерланди, Норвегія, Швеція, Швейцарія, Великобританія – засновники, Австрія, Іспанія, Португалія, Фінляндія, Польща, Угорщина, Чехія, Словаччина, Болгарія і Румунія – ті, хто приєднався. Однак, як уже було сказано вище – ще кілька десятків країн так чи інакше беруть участь у роботі організації, і, зокрема, на Великому адронному колайдері.

Як працює Великий адронний колайдер?

Що таке Великий адронний колайдер і як він працює – основні питання, які цікавлять громадськість. Розглянемо ці питання далі.

Колайдер (collider) – у перекладі з англійської означає «той, хто зіштовхує». Завдання такої установки полягає у зіткненні частинок. У випадку з адронним колайдером, у ролі частинок виступають адрони – частки, що беруть участь у сильній взаємодії. Такими є протони.

Отримання протонів

Довгий шлях протонів бере свій початок у дуоплазматроні – першому ступені прискорювача, куди надходить водень у вигляді газу. Дуоплазматрон є розрядною камерою, де через газ проводиться електричний розряд. Так водень, що складається всього з одного електрона та одного протона, втрачає свій електрон. Таким чином утворюється плазма – речовина, що складається із заряджених частинок – протонів. Звичайно, отримати чисту протонну плазму складно, тому утворена плазма, що включає також хмару молекулярних іонів і електронів, проходить фільтрацію для виділення хмари протонів. Під впливом магнітів протонна плазма збивається в пучок.

Попередній розгін частинок

Новоутворений пучок протонів починає свій шлях в лінійному прискорювачі LINAC 2, який є 30-тиметровим кільцем, послідовно обвішаним кількома порожнистими циліндричними електродами (провідниками). Створюване всередині прискорювача електростатичне поле градуйовано таким чином, що частинки між порожнистими циліндрами завжди відчувають силу, що прискорює, у напрямку наступного електрода. Не заглиблюючись повністю в механізм розгону протонів на даному етапі, відзначимо лише, що на виході з LINAC 2 фізики отримують пучок протонів з енергією 50 МеВ, які досягають 31% швидкості світла. Примітно, що маса частинок зростає на 5%.

До 2019-2020 року планується заміна LINAC 2 на LINAC 4, який буде розганяти протони до 160 МеВ.

На колайдері також розганяють іони свинцю, які дозволять вивчити кварк-глюонну плазму. Їх розганяють у кільці LINAC 3, аналогічному LINAC 2. Надалі також плануються експерименти з аргоном та ксеноном.

Далі пакети протонів надходять у протон-синхронний бустер (PSB). Він складається з чотирьох накладених кілець діаметром 50 метрів, у яких розташовуються електромагнітні резонатори. Створюване ними електромагнітне поле має високу напруженість, і проходить через нього частка отримує прискорення в результаті різниці потенціалів поля. Так всього через 1,2 секунди частки розганяються в PSB до 91% швидкості світла і досягають енергії в 1,4 ГеВ, після чого надходять в протонний-синхротрон (PS). Діаметр PS становить 628 метрів та оснащений 27 магнітами, що направляють пучок частинок по круговій орбіті. Тут частинок протони досягають 26 ГеВ.

Передостаннім кільцем для розгону протонів служить Суперпротонний-синхротрон (SPS), довжина кола якого сягає 7 кілометрів. Будучи оснащеним 1317 магнітами SPS розганяє частинки до енергії в 450 ГеВ. Приблизно через 20 хвилин пучок протонів потрапляє в основне кільце - Великий адронний колайдер (LHC).

Розгін та зіткнення частинок у LHC

Переходи між кільцями прискорювачів відбуваються у вигляді електромагнітних полів, створюваних потужними магнітами. Основне кільце колайдеро складається з двох паралельних ліній, в яких частинки рухаються кільцевою орбітою в протилежному напрямку. За збереження кругової траєкторії частинок та напрямок їх у точки зіткнення відповідають близько 10 000 магнітів, маса деяких із них досягає 27 тонн. Щоб уникнути перегріву магнітів використовується контур гелію-4, яким протікає приблизно 96 тонн речовини за нормальної температури -271,25 °З (1,9 До). Протони досягають енергії в 6,5 ТеВ (тобто енергія зіткнення – 13 ТеВ), при цьому їхня швидкість на 11 км/год менша за швидкість світла. Таким чином, за секунду пучок протонів проходить велике кільце колайдера 11 000 разів. Перш, ніж станеться зіткнення частинок, вони циркулюватимуть по кільцю від 5 до 24 годин.

Зіткнення частинок відбувається в чотирьох точках основного кільця LHC, в яких розташовуються чотири детектори: ATLAS, CMS, ALICE і LHCb.

Детектори Великого адронного колайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

- є одним із двох детекторів загального призначення на Великому адронному колайдері (LHC). Він досліджує широкий спектрфізики: від пошуку бозона Хіггса до частинок, які можуть становити темну матерію. Хоча він має ті ж наукові цілі, як і експеримент CMS, ATLAS використовує інші технічні рішення та іншу конструкцію магнітної системи.

Пучки частинок LHC зіштовхуються в центрі детектора ATLAS, утворюючи зустрічні уламки у вигляді нових частинок, які вилітають з точки зіткнення в усіх напрямках. Шість різних підсистем, що детектують, розташованих у шарах навколо точки зіткнення, записують шляхи, імпульс і енергію частинок, дозволяючи їх індивідуально ідентифікувати. Величезна система магнітів викривляє шляхи заряджених частинок, тому їх імпульси можна виміряти.

Взаємодії у детекторі ATLAS створюють величезний потік даних. Щоб обробити ці дані, ATLAS використовує розширену «тригерну» систему, що дозволяє повідомляти детектору, які записувати, а які ігнорувати. Потім для аналізу зареєстрованих подій зіткнення використовуються складні системи збирання даних та обчислення.

Детектор має висоту 46 метрів та ширину – 25 метрів, при цьому його маса складає 7 000 тонн. Ці параметри робить ATLAS найбільшим детектором часток, коли-небудь створеним. Він знаходиться в тунелі на глибині 100 м поблизу головного об'єкту ЦЕРН, неподалік села Мейрін у Швейцарії. Установка складається з 4 основних компонентів:

• Внутрішній детектор має циліндричну форму, внутрішнє кільце знаходиться всього за кілька сантиметрів від осі проходить пучка частинок, а зовнішнє кільце має діаметр 2,1 метра і довжину 6,2 метра. Він складається із трьох різних систем датчиків, занурених у магнітне поле. Внутрішній детектор вимірює напрямок, імпульс та заряд електрично заряджених частинок, що утворюються при кожному протон-протонному зіткненні. Основні елементи внутрішнього детектора: піксельний детектор (Pixel Detector), напівпровідникова система стеження (Semi-Conductor Tracker, SCT) та трековий детектор перехідного випромінювання (Transition radiation tracker, TRT).

• Калориметри вимірюють енергію, яку частка втрачає, коли проходить через детектор. Він поглинає частинки, що виникають при зіткненні, тим самим фіксую їхню енергію. Калориметри складаються з шарів "поглинаючого" матеріалу з високою щільністю - свинцю, що чергується з шарами "активного середовища" - рідкого аргону. Електромагнітні калориметри вимірюють енергію електронів та фотонів при взаємодії з речовиною. Адронні калориметри вимірюють енергію адронів під час взаємодії з атомними ядрами. Калориметри можуть зупиняти більшість відомих частинок, крім мюонів та нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) – калориметр ATLAS

• Мюонний спектрометр – складається з 4000 індивідуальних мюонних камер, що використовують чотири різні технології, що дозволяють ідентифікувати мюони та виміряти їх імпульси. Мюони зазвичай проходять через внутрішній детектор і калориметр, тому потрібна наявність мюонного спектрометра.

• Магнітна система ATLAS згинає частинки навколо різних шарів детекторних систем, що полегшує відстеження треків частинок.

В експерименті ATLAS (лютий 2012 р.) працюють понад 3 000 вчених із 174 інститутів із 38 країн.

CMS (Compact Muon Solenoid)

є детектором загального призначення на Великому адронному колайдері (LHC). Як і ATLAS, має широку фізичну програму, починаючи від вивчення стандартної моделі (включно з бозоном Хіггса) до пошуку частинок, які можуть становити темну матерію. Хоча він має ті ж наукові цілі, що й експеримент ATLAS, CMS використовує інші технічні рішення та іншу конструкцію магнітної системи.

Детектор CMS побудований довкола величезного магніту соленоїда. Є циліндричною котушкою надпровідного кабелю, яка генерує поле в 4 тесла, що приблизно в 100 000 разів перевищує магнітне поле Землі. Поле обмежене сталевим «хамутом», що є найпотужнішим компонентом детектора, маса якого – 14 000 тонн. Повний детектор має довжину - 21 м, ширину - 15 м і висоту - 15 м. Установка складається з 4 основних компонентів:

• Магніт соленоїда - найбільший магніт у світі, який служить для вигину траєкторії заряджених частинок, що вилітають із точки зіткнення. Спотворення траєкторії дозволяє розрізнити позитивно і негативно заряджені частинки (оскільки вони згинаються в протилежних напрямках), а також виміряти імпульс, величина якого залежить від кривизни траєкторії. Величезні розміри соленоїда дозволяють розташувати трекер та калориметри всередині котушки.
• Кремнієвий трекер складається з 75 мільйонів окремих електронних датчиків, розташованих у концентричних шарах. Коли заряджена частка пролітає через шари трекера, вона передає частину енергії кожному шару, об'єднання цих точок зіткнення частинки з різними шарами дозволяє надалі визначити її траєкторію.
• Калориметри – електронний та адронний див. калориметри ATLAS.
• Саб-детектори дозволяють детектувати мюони. Представлені 1 400 мюонними камерами, які розташовуються шарами поза котушки, чергуючись з металевими пластинами «хамута».

Експеримент CMS є одним із найбільших міжнародних наукових досліджень в історії, в якому беруть участь 4300 осіб: фізики в галузі елементарних частинок, інженери та техніки, студенти та допоміжний персонал із 182 інститутів, 42 країн (лютий 2014 року).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— є детектором важких іонів на кільцях великого адронного колайдера (LHC). Він призначений для вивчення фізики сильно взаємодіючої речовини при екстремальних густинах енергії, де утворюється фаза речовини, яка називається кварк-глюонною плазмою.

Вся звичайна матерія в сьогоднішньому всесвіті складається з атомів. Кожен атом містить ядро, що складається з протонів і нейтронів (крім водню, що не має нейтронів), оточеного хмарою електронів. Протони та нейтрони, у свою чергу, складаються з кварків, пов'язаних разом з іншими частинками, які називаються глюонами. Ніякий кварк ніколи не спостерігався ізольовано: кварки, а також глюони, мабуть, постійно пов'язані разом та обмежені всередині складових частинок, таких як протони та нейтрони. Це називається конфайнментом.

Зіткнення в LHC створюють температури більш ніж 100 000 разів гарячіше, ніж у центрі Сонця. Коллайдер забезпечує зіткнення між свинцевими іонами, відтворюючи умови, аналогічні тим, що мали місце одразу після Великого Вибуху. У цих екстремальних умовах протони і нейтрони «розплавляються», звільняючи кварки від зв'язків із глюонами. Це і є кварк-глюонна плазма.

В експерименті ALICE використовується детектор ALICE масою 10 000 тонн, 26 м завдовжки, 16 м заввишки і 16 м завширшки. Пристрій складається з трьох основних комплектів компонентів: трекінгових пристроїв, калориметрів та детекторів-ідентифікаторів частинок. Також його поділяють на 18 модулів. Детектор знаходиться в тунелі на глибині 56 м під недалеко від села Сент-Деніс-Пуї у Франції.

Експеримент налічує понад 1 000 вчених із понад 100 інститутів фізики в 30 країнах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

- В рамках експерименту проводиться дослідження невеликих відмінностей між речовиною та антиматерією, вивчаючи тип частки, званий б'юті-кварк або b-кварк.

Замість того, щоб оточувати всю точку зіткнення за допомогою закритого детектора, як ATLAS і CMS, експеримент LHCb використовує серію сабдетекторів для виявлення переважно передніх частинок - тих, які були спрямовані вперед внаслідок зіткнення в одному напрямку. Перший сабдетектор встановлений близько до точки зіткнення, а решта один за одним на відстані 20 метрів.

На LHC створюється велика кількість різних типів кварків, перш ніж вони швидко розпадаються на інші форми. Щоб зловити b-кварки, для LHCb були розроблені складні детектори, що рухаються стежать, розташовані поблизу руху пучка частинок по колайдеру.

5600-тонний детектор LHCb складається з прямого спектрометра та плоских детекторів. Це 21 метр завдовжки, 10 метрів заввишки та 13 метрів завширшки, він знаходиться на глибині 100 метрів під землею. Близько 700 вчених із 66 різних інститутів та університетів залучені до експерименту LHCb (жовтень 2013 р.).

Інші експерименти на колайдері

Крім перерахованих вище експериментів на Великому адронному колайдері є інші два експерименти з установками:

• LHCf (Large Hadron Collider forward)- Вивчає частинки, викинуті вперед після зіткнення пучків частинок. Вони імітують космічні промені, дослідженням яких займаються вчені в рамках експерименту. Космічні промені - це природні заряджені частинки з космічного простору, які постійно бомбардують земну атмосферу. Вони стикаються з ядрами у верхній атмосфері, викликаючи каскад частинок, що досягають рівня землі. Вивчення того, як зіткнення всередині LHC викликають подібні каскади частинок, допоможе фізикам інтерпретувати та відкалібрувати великомасштабні експерименти з космічними променями, які можуть охоплювати тисячі кілометрів.

LHCf складається з двох детекторів, які розташовані вздовж LHC, на відстані 140 метрів з обох сторін він точки зіткнення ATLAS. Кожен із двох детекторів важить всього 40 кілограмів і має розміри 30 см завдовжки, 80 см заввишки та 10 см завширшки. В експерименті LHCf беруть участь 30 вчених із 9 інститутів у 5 країнах (листопад 2012 р.).

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)– експеримент із найдовшою установкою на колайдері. Його завданням є дослідження самих протонів шляхом точного вимірювання протонів, що виникають при зіткненнях під малими кутами. Ця область відома як "прямий" напрямок і недоступна іншим експериментам LHC. Детектори TOTEM поширюються майже півкілометра навколо точки взаємодії CMS. TOTEM має майже 3 000 кг обладнання, у тому числі чотири ядерні телескопи, а також 26 детекторів типу «римський горщик». Останній тип дозволяє розмістити детектори максимально близько до пучка частинок. Експеримент TOTEM включає близько 100 вчених із 16 інститутів у 8 країнах (серпень 2014 року).

Навіщо потрібний Великий адронний колайдер?

Найбільша міжнародна наукова установка досліджує широкий спектр фізичних завдань:

• Вивчення топ-кварків. Дана частка є не тільки найважчим кварком, а й найважчою елементарною частинкою. Дослідження властивостей топ-кварка також має сенс, тому що він є інструментом дослідження.
• Пошук та вивчення бозона Хіггса. Хоча ЦЕРН стверджує, що бозон Хіггса був уже виявлений (у 2012-му році), поки що про його природу відомо зовсім небагато і подальші дослідження могли б внести велику ясність у механізм його роботи.

• Вивчення кварк-глюонної плазми. При зіткненнях ядер свинцю на високих швидкостях – у колайдері утворюється . Її дослідження може принести результати, корисні як для ядерної фізики (поліпшення теорії сильних взаємодій), так і для астрофізики (вивчення Всесвіту в її перші моменти існування).
• Пошук суперсиметрії. Це дослідження спрямоване на спростування чи доказ «суперсиметрії» — теорії, за якою будь-яка елементарна частка має важчого партнера, званого «суперчастинкою».
• Дослідження фотон-фотонних та фотон-адронних зіткнень. Дозволить покращити розуміння механізмів процесів подібних зіткнень.
• Перевірка екзотичних теорій. До цієї категорії завдань належать найнетрадиційніші – «екзотичні», наприклад, пошук паралельних всесвітів за допомогою створення міні-чорних дірок.

Крім цих завдань, існує ще безліч інших, вирішення яких також дозволить людству розуміти природу і навколишній світ на якіснішому рівні, що у свою чергу відкриє можливості для створення нових технологій.

Практична користь Великого адронного колайдера та фундаментальної науки

Насамперед, слід зазначити, що фундаментальні дослідження роблять внесок у фундаментальну науку. Застосуванням цих знань займається прикладна наука. Сегмент суспільства, не обізнаний у користі фундаментальної науки, часто не сприймає відкриття бозона Хіггса або створення кварк-глюонної плазми, як щось значуще. Зв'язок подібних досліджень із життям пересічної людини – неочевидний. Розглянемо короткий приклад з атомною енергетикою:

У 1896 році французький фізик Антуан Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності. Довгий час вважалося, що її промислового використання людство перейде нескоро. Усього за п'ять років до запуску першого в історії ядерного реактора великий фізик Ернест Резерфорд, який власне відкрив атомне ядро ​​в 1911 році, говорив, що атомна енергія ніколи не знайде свого застосування. Переосмислити своє ставлення до енергії, укладеної в ядрі атома, фахівцям вдалося в 1939 році, коли німецькі вчені Ліза Мейтнер та Отто Ган виявили, що ядра урану при опроміненні їх нейтронами поділяються на дві частини з виділенням величезної кількості енергії – ядерної енергії.

І лише після цієї останньої ланки ряду фундаментальних досліджень у гру вступила прикладна наука, яка на основі цих відкриттів винайшла пристрій для отримання ядерної енергії – атомний реактор. Масштаб відкриття можна оцінити, ознайомившись із часткою вироблення електроенергії атомними реакторами. Так в Україні, наприклад, на АЕС випадає 56% вироблення електроенергії, а у Франції – 76%.

Усі нові технології ґрунтуються на тих чи інших фундаментальних знаннях. Наведемо ще кілька коротких прикладів:

• У 1895 році Вільгельм Конрад Рентген зауважив, що під дією рентгенівського випромінювання фотопластинка затемняється. Сьогодні рентгенографія - одне з найбільш застосовуваних досліджень у медицині, що дозволяє вивчити стан внутрішніх органіві виявити інфекції та опухали.
• У 1915-му році Альберт Ейнштейн запропонував свою . Сьогодні ця теорія враховується під час роботи GPS супутників, які визначають розташування об'єкта з точністю до декількох метрів. GPS застосовується у стільниковому зв'язку, картографії, моніторингу транспорту, але в першу чергу – у навігації. Похибка супутника, що не враховує ОТО, з моменту запуску зростала б на 10 кілометрів на день! І якщо пішохід може скористатися розумом та паперовою картою, то пілоти авіалайнера потраплять у скрутну ситуацію, оскільки орієнтуватися хмарами – неможливо.

Якщо сьогодні практичне застосування відкриттям, що відбулися на LHC, ще не знайдено – це не означає, що вчені «возяться на колайдері даремно». Як відомо, людина розумна завжди має намір отримати максимум практичного застосування з наявних знань, а тому знання про природу, накопичені в процесі дослідження на ВАК, безперечно знайдуть своє застосування, рано чи пізно. Як уже було продемонстровано вище – зв'язок фундаментальних відкриттів і технологій, що їх використовують, іноді може бути зовсім не очевидним.

Насамкінець, відзначимо так звані непрямі відкриття, які не ставляться як початкові цілі дослідження. Вони зустрічаються досить часто, тому що для здійснення фундаментального відкриття зазвичай потрібно впровадження і використання нових технологій. Так розвиток оптики отримав поштовх від фундаментальних досліджень космосу, що будуються на спостереженнях астрономів через телескоп. У випадку з ЦЕРН - так виникла технологія, що повсюдно застосовується - Інтернет, проект, запропонований Тімом Бернерсом-Лі в 1989-му році для полегшення пошуку даних організації ЦЕРН.

Багато простих мешканців планети ставлять собі питання про те, для чого потрібний великий адронний колайдер. Незрозумілі більшості наукових досліджень, на які витрачено багато мільярдів євро, викликають настороженість і побоювання.

Може, це й не дослідження зовсім, а прототип машини часу чи портал для телепортації інопланетних істот, здатних змінити долю людства? Чутки ходять найфантастичніші та найстрашніші. У статті спробуємо розібратися, що таке адронний колайдер і для чого він створювався.

Амбіційний проект людства

Великий адронний колайдер на сьогодні є найпотужнішим на планеті прискорювачем частинок. Він знаходиться на кордоні Швейцарії та Франції. Точніше під нею: на глибині 100 метрів залягає кільцевий тунель прискорювача завдовжки майже 27 кілометрів. Господарем експериментального полігону вартістю понад 10 мільярдів доларів є Європейський центр ядерних досліджень.

Величезна кількість ресурсів і тисячі фізиків-ядерників займаються тим, що прискорюють протони та важкі іони свинцю до швидкості, близької до світлової, у різних напрямках, після чого стикаються один з одним. Результати прямих взаємодій ретельно вивчаються.

Пропозиція створити новий прискорювач частинок надійшла ще 1984 року. Десять років велися різні дискусії щодо того, що буде адронним колайдером, навіщо потрібен саме такий масштабний дослідницький проект. Тільки після обговорення питань особливостей технічного рішення та необхідних параметрів встановлення проект було затверджено. Будівництво розпочали лише у 2001 році, виділивши для його розміщення колишнього прискорювача елементарних частинок – великого електрон-позитронного колайдера.

Навіщо потрібний великий адронний колайдер

Взаємодія елементарних частинок описується по-різному. Теорія відносності входить у протиріччя з квантовою теорією поля. Відсутньою ланкою у здобутті єдиного підходу до будови елементарних частинок є неможливість створення теорії квантової гравітації. Ось навіщо потрібний адронний колайдер підвищеної потужності.

Загальна енергія при зіткненні частинок становить 14 тераелектронвольт, що робить пристрій значно потужнішим прискорювачем, ніж усі існуючі сьогодні у світі. Провівши експерименти, раніше неможливі з технічних причин, вчені з великою ймовірністю зможуть документально підтвердити або спростувати існуючі теорії мікросвіту.

Вивчення кварк-глюонної плазми, що утворюється при зіткненні ядер свинцю, дозволить побудувати досконалішу теорію сильних взаємодій, яка зможе кардинально змінити ядерну фізику та зоряного простору.

Бозон Хіггса

У далекому 1960 році фізик із Шотландії Пітер Хіггс розробив теорію поля Хіггса, згідно з якою частинки, що потрапляють у це поле, піддаються квантовому впливу, що у фізичному світі можна спостерігати як масу об'єкта.

Якщо в ході експериментів вдасться підтвердити теорію шотландського ядерного фізика і знайти бозон (квант) Хіггса, то ця подія може стати новою точкою для розвитку жителів Землі.

А керуючого гравітацією, що відкрилися, багаторазово перевищать всі видимі перспективи розвитку технічного прогресу. Тим більше, що передових вчених більше цікавить не сама наявність бозона Хіггса, а процес порушення електрослабкої симетрії.

Як він працює

Щоб експериментальні частинки досягли немислимої поверхні швидкості, майже рівної у вакуумі, їх розганяють поступово, щоразу збільшуючи енергію.

Спочатку лінійні прискорювачі роблять інжекцію іонів і протонів свинцю, які потім піддають ступінчастому прискоренню. Частинки через бустер потрапляють у протонний синхротрон, де отримують заряд 28 ГеВ.

На наступному етапі частки потрапляють у супер-синхротрон, де енергія їхнього заряду доводиться до 450 ГеВ. Досягши таких показників, частки потрапляють у головне багатокілометрове кільце, де у спеціально розташованих місцях зіткнення детектори докладно фіксують момент зіткнення.

Крім детекторів, здатних зафіксувати всі процеси при зіткненні, для утримання протонних згустків у прискорювачі використовують 1625 магнітів, що мають надпровідність. Загальна їхня довжина перевищує 22 кілометри. Спеціальна для досягнення підтримує температуру –271 °C. Вартість кожного такого магніту оцінюється в мільйон євро.

Мета виправдовує засоби

Для проведення таких амбітних експериментів і було побудовано найпотужніший адронний колайдер. Навіщо потрібен багатомільярдний науковий проект, людству розповідають із неприхованим захопленням багато вчених. Щоправда, у разі нових наукових відкриттів, швидше за все, їх буде надійно засекречено.

Навіть можна сказати, напевно. Підтвердженням цьому є історія цивілізації. Коли придумали колесо, з'явилися Освоїло людство металургію - привіт, гармати та рушниці!

Всі найсучасніші розробки сьогодні стають надбанням військово-промислових комплексів розвинених країн, але не всього людства. Коли вчені навчилися розщеплювати атом, що з'явилося першим? Атомні реактори, що дають електроенергію, щоправда, після сотень тисяч смертей у Японії. Жителі Хіросіми однозначно були проти наукового прогресу, який забрав у них та їхніх дітей завтрашній день.

Технічний розвиток виглядає глузуванням над людьми, тому що людина в ньому скоро перетвориться на найслабшу ланку. За теорією еволюції, система розвивається і міцніє, позбавляючись від слабких місць. Може вийти незабаром так, що нам не залишиться місця у світі техніки, що вдосконалюється. Тому питання "навіщо потрібен великий адронний колайдер саме зараз" насправді - не марна цікавість, бо викликана побоюванням за долю всього людства.

Запитання, на які не відповідають

Навіщо нам великий адронний колайдер, якщо на планеті мільйони помирають від голоду і невиліковних, а часом і хвороб, що піддаються лікуванню? Хіба він допоможе подолати це зло? Навіщо потрібен адронний колайдер людству, яке при всьому розвитку техніки ось уже сто років не може навчитися успішно боротися з раковими захворюваннями? А може просто вигідніше надавати дорогі медпослуги, ніж знайти спосіб зцілити? При існуючому світопорядку та етичному розвитку лише жменьці представників людської раси потрібний великий адронний колайдер. Навіщо він потрібен всьому населенню планети, що веде безперервний бій за право жити у світі, вільному від зазіхань на чиєсь життя та здоров'я? Історія про це замовчує...

Побоювання наукових колег

Є інші представники наукового середовища, які висловлюють серйозні побоювання щодо безпеки проекту. Велика ймовірність того, що науковий світ у своїх експериментах, через свою обмеженість у знаннях, може втратити контроль над процесами, які навіть до ладу не вивчені.

Такий підхід нагадує лабораторні досліди. юних хіміків- Все змішати та подивитися, що буде. Останній приклад може закінчитися вибухом у лабораторії. А якщо такий «успіх» спіткає адронний колайдер?

Навіщо потрібен невиправданий ризик землянам, тим більше, що експериментатори не можуть з повною впевненістю сказати, що процеси зіткнень частинок, що призводять до утворення температур, що перевищують у 100 тисяч разів температуру нашого світила, не викличуть ланцюгової реакції всієї речовини планети?! Або просто викличуть здатну фатально зіпсувати відпочинок у горах Швейцарії або у французькій Рів'єрі.

Інформаційна диктатура

Навіщо потрібен великий адронний колайдер, коли людство неспроможна вирішити менш складні завдання? Спроба замовчування альтернативної думки лише підтверджує можливість непередбачуваності перебігу подій.

Напевно, там, де вперше з'явилася людина, у неї і було закладено цю двоїсту особливість - робити благо і шкодити собі одночасно. Можливо, нам відповідь дадуть відкриття, які подарує адронний колайдер? Навіщо потрібен був цей ризикований експеримент, вирішуватимуть уже наші нащадки.

установка, в якій за допомогою електричних та магнітних полів виходять спрямовані пучки електронів, протонів, іонів та інших заряджених частинок з енергією значно перевищує теплову енергію. У процесі прискорення підвищуються швидкості частинок, причому нерідко до значень близьких до швидкості світла. Нині численні малі прискорювачі застосовують у медицині (радіаційна терапія), соціальній та промисловості (наприклад, для іонної імплантації у напівпровідниках). Великі ж прискорювачі застосовуються головним чином у наукових цілях для дослідження суб'ядерних процесів і властивостей елементарних частинок ( Див. такожЧАСТИНИ ЕЛЕМЕНТАРНІ).

Згідно з квантовою механікою, пучок частинок, як і світловий пучок, характеризується певною довжиною хвилі. Чим більша енергія частинок, тим менша ця довжина хвилі. А чим менша довжина хвилі, тим менші об'єкти, які можна дослідити, але тим більші розміри прискорювачів і тим складніші. Розвиток досліджень мікросвіту вимагало дедалі більшої енергії зондувального пучка. Першими джерелами випромінювань високої енергії були природні радіоактивні речовини. Але вони давали дослідникам лише обмежений набір частинок, інтенсивностей та енергій. У 1930-х роках вчені почали працювати над створенням установок, які могли б давати різноманітніші пучки. В даний час існують прискорювачі, що дозволяють одержувати будь-які види випромінювань із високою енергією. Якщо, наприклад, потрібно рентгенівське або гамма-випромінювання, то прискорення піддаються електрони, які потім випромінюють фотони в процесах гальмівного або синхротронного випромінювання. Нейтрони генеруються при бомбардуванні відповідної мішені інтенсивним пучком протонів або дейтронів.

Енергія ядерних частинок вимірюється в електронвольтах (еВ). Електронвольт це енергія, яку набуває заряджена частка, що несе один елементарний заряд (заряд електрона), при переміщенні в електричному полі між двома точками з різницею потенціалів в 1 В. (1 еВ » 1,60219Ч 10 19 Дж.) Прискорювачі дозволяють отримувати енергії в діапазоні від тисяч до декількох трильйонів (10 12) електронвольт на найбільшому у світі прискорювачі.

Для виявлення в експерименті рідкісних процесів необхідно підвищувати ставлення сигналу шуму. Для цього потрібні все більш інтенсивні джерела випромінювання. Передній край сучасної техніки прискорювачів визначається двома основними параметрами - енергією та інтенсивністю пучка частинок.

У сучасних прискорювачах використовуються численні та різноманітні види техніки: високочастотні генератори, швидкодіюча електроніка та системи автоматичного регулювання, складні прилади діагностики та управління, надвисококовакуумна апаратура, потужні прецизійні магніти (як «звичайні», так і кріогенні) та складні системи юст.

Волошек П. Подорож у глиб матерії. З прискорювачем ГЕРА до меж пізнання. М., 1995

Знайти " ПРИСКОРЮВАЧ ЧАСТОК"на

ПРИСКОРЮВАЧ ЧАСТОК
установка, в якій за допомогою електричних та магнітних полів виходять спрямовані пучки електронів, протонів, іонів та інших заряджених частинок з енергією значно перевищує теплову енергію. У процесі прискорення підвищуються швидкості частинок, причому нерідко до значень близьких до швидкості світла. Нині численні малі прискорювачі застосовують у медицині (радіаційна терапія), соціальній та промисловості (наприклад, для іонної імплантації у напівпровідниках). Великі ж прискорювачі застосовуються головним чином у наукових цілях - для дослідження суб'ядерних процесів та властивостей елементарних частинок
(див. також ЧАСТИНИ ЕЛЕМЕНТАРНІ). Згідно з квантовою механікою, пучок частинок, як і світловий пучок, характеризується певною довжиною хвилі. Чим більша енергія частинок, тим менша ця довжина хвилі. А чим менша довжина хвилі, тим менші об'єкти, які можна дослідити, але тим більші розміри прискорювачів і тим складніші. Розвиток досліджень мікросвіту вимагало дедалі більшої енергії зондувального пучка. Першими джерелами випромінювань високої енергії були природні радіоактивні речовини. Але вони давали дослідникам лише обмежений набір частинок, інтенсивностей та енергій. У 1930-х роках вчені почали працювати над створенням установок, які могли б давати різноманітніші пучки. В даний час існують прискорювачі, що дозволяють одержувати будь-які види випромінювань із високою енергією. Якщо, наприклад, потрібно рентгенівське або гамма-випромінювання, то прискорення піддаються електрони, які потім випромінюють фотони в процесах гальмівного або синхротронного випромінювання. Нейтрони генеруються при бомбардуванні відповідної мішені інтенсивним пучком протонів або дейтронів. Енергія ядерних частинок вимірюється в електронвольтах (еВ). Електронвольт - це енергія, яку набуває заряджена частка, що несе один елементарний заряд (заряд електрона), при переміщенні в електричному полі між двома точками з різницею потенціалів в 1 Ст. дозволяють отримувати енергії в діапазоні від тисяч до декількох трильйонів (1012) електронвольт - на найбільшому у світі прискорювачі. Для виявлення в експерименті рідкісних процесів необхідно підвищувати ставлення сигналу шуму. Для цього потрібні все більш інтенсивні джерела випромінювання. Передній край сучасної техніки прискорювачів визначається двома основними параметрами – енергією та інтенсивністю пучка частинок. У сучасних прискорювачах використовуються численні та різноманітні види техніки: високочастотні генератори, швидкодіюча електроніка та системи автоматичного регулювання, складні прилади діагностики та управління, надвисококовакуумна апаратура, потужні прецизійні магніти (як "звичайні", так і кріогенні) та складні системи юст.
ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ
Основна схема прискорення частинок передбачає три стадії:
1) формування пучка та її інжекція, 2) прискорення пучка і 3) виведення пучка на мета чи здійснення зіткнення зустрічних пучків у самому прискорювачі.
Формування пучка та його інжекція.Вихідним елементом будь-якого прискорювача служить інжектор, в якому є джерело спрямованого потоку частинок з низькою енергією (електронів, протонів або інших іонів) та високовольтні електроди та магніти, що виводять пучок із джерела та формують його. У джерелах протонів перших прискорювачів газоподібний водень пропускався через область електричного розряду або поблизу розпеченої нитки. У таких умовах атоми водню втрачають свої електрони та залишаються одні ядра – протони. Такий метод (і аналогічний з іншими газами) в удосконаленому вигляді, як і раніше, застосовується для одержання пучків протонів (і важких іонів). Джерело формує пучок частинок, який характеризується середньою початковою енергією, струмом пучка, його поперечними розмірами та середньою кутовою розбіжністю. Показником якості инжектируемого пучка служить його еміттанс, тобто. добуток радіуса пучка на його кутову розбіжність. Чим менший еміттанс, тим більша якість кінцевого пучка частинок з високою енергією. За аналогією з оптикою струм частинок, поділений на еміттанс (що відповідає щільності частинок, поділеної на кутову розбіжність), називають яскравістю пучка. Багато додатках сучасних прискорювачів потрібна максимально можлива яскравість пучків.
Прискорення пучка.Пучок формується в камерах або інжектується в одну або кілька камер прискорювача, в яких електричне поле підвищує швидкість, а отже, і частинок. У перших, найпростіших прискорювачах, енергія частинок збільшувалася в сильному електростатичному полі, створеному всередині високовакуумної камери. Максимальна енергія, яку вдавалося досягти, визначалася електричною міцністю ізоляторів прискорювача. У багатьох сучасних прискорювачах як інжектори ще використовуються електростатичні прискорювачі електронів та іонів (аж до іонів урану) з енергіями від 30 кеВ до 1 МеВ. Здобуття високої напруги і сьогодні залишається складною технічною проблемою. Його можна отримувати, заряджаючи групу конденсаторів, з'єднаних паралельно, а потім послідовно підключаючи їх до послідовності прискорювальних трубок. У такий спосіб у 1932 Дж.Кокрофт та Е.Уолтон отримували напруги до 1 МВ. Істотний практичний недолік цього у тому, що у зовнішніх елементах системи виявляється висока напруга, небезпечне експериментаторів. Інший спосіб отримання високої напруги був винайдений у 1931 р. Ван-де-Граафом. У генераторі Ван-де-Граафа (рис. 1) стрічка з діелектрика переносить електричні заряди від джерела напруги, що знаходиться під потенціалом землі, до високовольтного електрода, підвищуючи тим самим його потенціал щодо землі. Однокаскадний генератор Ван-де-Граафа дозволяє отримувати напругу до 10 МВ. На багатокаскадних високовольтних прискорювачах було отримано протони з енергіями до 30 МеВ.

Якщо потрібний не безперервний пучок, а короткий імпульс частинок з високою енергією, то можна скористатися тим, що короткочасно (менше за мікросекунди) ізолятори здатні витримувати набагато вищі напруги. Імпульсні діоди дозволяють отримувати напруги до 15 МВ на каскад у схемах з дуже низьким імпендансом. Це дозволяє отримати струми пучка в кілька десятків кіломпер, а не в десятки міліампер, як на електростатичних прискорювачах. Звичайний спосіб отримання високої напруги заснований на схемі генератора імпульсного Маркса, в якій батарея конденсаторів спочатку заряджається паралельно, а потім з'єднується послідовно і розряджається через один розрядний проміжок. Високовольтний імпульс генератора надходить у довгу лінію, яка формує імпульс, задаючи його час наростання. Лінія навантажується електродами, що прискорюють пучок. При високочастотній напругі, що прискорює, конструкція прискорювача витримує без пробою набагато сильніші електричні поля, ніж при постійній напрузі. Однак застосування високочастотних полів для прискорення частинок утруднюється тим, що знак поля швидко змінюється і поле виявляється то, що прискорює, то сповільнює. Наприкінці 1920-х були запропоновані два способи подолання цієї проблеми, які застосовуються тепер у більшості прискорювачів.
Лінійні прискорювачі
Можливість застосування високочастотних електричних полів у довгих багатокаскадних прискорювачах полягає в тому, що таке поле змінюється у часі, а й у просторі. У час напруженість поля змінюється синусоїдально залежно від становища у просторі, тобто. Розподіл поля у просторі має форму хвилі. А в будь-якій точці простору вона змінюється синусоїдально у часі. Тому максимуми поля переміщаються у просторі з так званою фазовою швидкістю. Отже, частинки можуть рухатися так, щоб локальне поле постійно їх прискорювало. У лінійних прискорювальних системах високочастотні поля були вперше застосовані в 1929 році, коли норвезький інженер Р. Відерое здійснив прискорення іонів у короткій системі пов'язаних високочастотних резонаторів. Якщо резонатори розраховані так, що фазова швидкість поля завжди дорівнює швидкості частинок, то у процесі свого руху в прискорювачі пучок безперервно прискорюється. Рух частинок у такому випадку подібний до ковзання серфера на гребені хвилі. При цьому швидкості протонів або іонів у процесі прискорення можуть збільшуватися. Відповідно до цього повинна збільшуватися і фазова швидкість хвилі vфаз. Якщо електрони можуть інжектуватися в прискорювач зі швидкістю, близькою до швидкості світла, то в такому режимі фазова швидкість практично постійна: vфаз = c. Інший підхід, що дозволяє виключити вплив сповільнювальної фази високочастотного електричного поля, заснований на використанні металевої конструкції, що екранує пучок від поля цього напівперіод. Вперше такий спосіб був застосований Е. Лоуренсом у циклотроні (див. нижче); він використовується також у лінійному прискорювачі Альварес. Останній є довгою вакуумною трубою, в якій розташований цілий ряд металевих дрейфових трубок. Кожна трубка послідовно з'єднана з високочастотним генератором через довгу лінію, вздовж якої зі швидкістю, близькою до швидкості світла, біжить хвиля напруги, що прискорює (рис. 2). Таким чином, усі трубки по черзі виявляються під високою напругою. Заряджена частка, що вилітає з інжектора в потрібний момент часу, прискорюється в напрямку першої трубки, набуваючи певної енергії. Усередині цієї трубки частка дрейфує - рухається з постійною швидкістю. Якщо довжина трубки правильно підібрана, то вона вийде з неї в той момент, коли напруга, що прискорює, просунулася на одну довжину хвилі. При цьому напруга на другій трубці теж буде прискорювальною і становить сотні тисяч вольт. Такий процес багаторазово повторюється, і кожному етапі частка отримує додаткову енергію. Щоб рух частинок було синхронно зі зміною поля, відповідно до збільшення їх швидкості повинна збільшуватися довжина трубок. Зрештою, швидкість частинки досягне швидкості, дуже близької до швидкості світла, і гранична довжина трубок буде постійною.

Просторові зміни поля накладають обмеження на тимчасову структуру пучка. Поле, що прискорює, змінюється в межах згустку частинок будь-якої кінцевої протяжності. Отже, протяжність згустку частинок має бути мала порівняно з довжиною хвилі прискорюючого високочастотного поля. Інакше частки по-різному прискорюватимуться в межах згустку. Занадто великий розкид енергії в пучку не тільки збільшує труднощі фокусування пучка через наявність хроматичної аберації у магнітних лінз, а й обмежує можливості застосування пучка в конкретних завданнях. Розкид енергій може призводити до розмиття згустку частинок пучка в аксіальному напрямку. Розглянемо потік нерелятивістських іонів, що рухаються з початковою швидкістю v0. Поздовжні електричні сили, зумовлені просторовим зарядом, прискорюють головну частину пучка та уповільнюють хвостову. Синхронізуючи відповідним чином рух згустку з високочастотним полем, можна досягти більшого прискорення хвостової частини згустку, ніж головний. Таким узгодженням фаз прискорюючої напруги і пучка можна здійснити фазування пучка - компенсувати дефазуючий вплив просторового заряду та розкиду енергії. В результаті в деякому інтервалі значень центральної фази згустку спостерігаються центрування та осциляції частинок щодо певної фази сталого руху. Це явище, зване автофазуванням, надзвичайно важливе для лінійних прискорювачів іонів та сучасних циклічних прискорювачів електронів та іонів. На жаль, автофазування досягається ціною зниження коефіцієнта заповнення прискорювача до значень набагато менших одиниці. У процесі прискорення практично у всіх пучків виявляється тенденція до збільшення радіусу з двох причин: через взаємне електростатичне відштовхування частинок і через розкид поперечних (теплових) швидкостей. Перша тенденція слабшає зі збільшенням швидкості пучка, оскільки магнітне поле, створюване струмом пучка, стискає пучок і у разі релятивістських пучків майже компенсує дефокусуючий вплив просторового заряду в радіальному напрямку. Тому цей ефект дуже важливий у разі прискорювачів іонів, але майже несуттєвий для електронних прискорювачів, у яких пучок інжектується з релятивістськими швидкостями. Другий ефект, пов'язаний з еміттансом пучка, важливий всім прискорювачів. Утримати частки поблизу осі можна за допомогою квадрупольних магнітів. Щоправда, одиночний квадрупольний магніт, фокусуючи частки в одній із площин, в іншій їх дефокусує. Але тут допомагає принцип "сильного фокусування", відкритий Е. Курантом, С. Лівінгстоном і Х. Снайдер: система двох квадрупольних магнітів, розділених прогоновим проміжком, з чергуванням площин фокусування і дефокусування в кінцевому рахунку забезпечує фокусування у всіх площинах. Дрейфові трубки все ще використовуються в лінійних протонних прискорювачах, де енергія пучка збільшується від декількох мегаелектронвольт приблизно до 100 МеВ. У перших лінійних електронних прискорювачах типу прискорювача на 1 ГеВ, спорудженого в Стенфордському університеті (США), теж використовувалися дрейфові трубки постійної довжини, оскільки пучок інжектувався при енергії порядку 1 МеВ. У сучасних електронних лінійних прискорювачах, прикладом найбільших у тому числі може бути прискорювач на 50 ГеВ довжиною 3,2 км, споруджений в Стенфордському центрі лінійних прискорювачів, використовується принцип " серфінгу електронів " на електромагнітної хвилі, що дозволяє прискорювати пучок з збільшенням енергії майже 20 МеВ на одному метрі системи, що прискорює. У цьому прискорювачі високочастотна потужність на частоті близько 3 ГГц генерується великими електровакуумними приладами – клістронами. Протонний лінійний прискорювач на найвищу енергію був побудований у Лосаламоській національній лабораторії в шт. Нью-Мексико (США) як "мезонна фабрика" для отримання інтенсивних пучків півонів і мюонів. Його мідні резонатори створюють прискорювальне поле близько 2 МеВ/м, завдяки чому він дає імпульсному пучку до 1 мА протонів з енергією 800 МеВ. Для прискорення як протонів, а й важких іонів було розроблено надпровідні високочастотні системи. Найбільший надпровідний протонний лінійний прискорювач служить інжектором прискорювача на зустрічних пучках ГЕРА у лабораторії Німецького електронного синхротрона (ДЕЗІ) у Гамбурзі (Німеччина).
ЦИКЛІЧНІ ПРИСКРИВАЧІ
Протонний циклотрон.Існує дуже елегантний та економічний спосіб прискорення пучка шляхом багаторазового повідомлення йому невеликих порцій енергії. Для цього за допомогою сильного магнітного поля пучок змушують рухатися по круговій орбіті і багато разів проходити один і той самий проміжок, що прискорює. Вперше цей спосіб був реалізований в 1930 Е. Лоуренсом і С. Лівінгстоном у винайденому ними циклотроні. Як і в лінійному прискорювачі з дрейфовими трубками, пучок екранується від дії електричного поля в той напівперіод, коли воно сповільнюється. Заряджена частка з масою m і зарядом q, що рухається зі швидкістю v магнітному полі H, спрямованому перпендикулярно її швидкості, описує в цьому полі коло радіусом R = mv/qH. Оскільки прискорення призводить до збільшення швидкості v, зростає і радіус R. Таким чином, протони і важкі іони рухаються по спіралі, що розкручується, все зростаючого радіуса. При кожному обороті по орбіті пучок проходить через проміжок між дуантами - високовольтними порожнистими D-подібними електродами, де на нього діє високочастотне електричне поле (рис. 3). Лоуренс зрозумів, що між проходженнями пучка через зазор у разі нерелятивістських частинок залишається постійним, оскільки зростання їх швидкості компенсується збільшенням радіуса. Протягом тієї частини періоду звернення, коли високочастотне поле має невідповідну фазу, пучок знаходиться поза зазором. Частота звернення дається виразом

де f - частота змінної напруги МГц, Н - напруженість магнітного поля в Тл, а mc2 - маса частинки в МеВ. Якщо величина H стала в тій області, де відбувається прискорення, то частота f, очевидно, не залежить від радіусу
(Див. також ЛОУРЕНС Ернест Орландо).

Для прискорення іонів до високих енергій необхідно лише, щоб магнітне поле та частота високовольтної напруги відповідали умові резонансу; тоді частки двічі за оборот проходитимуть через зазор між дуантами в потрібний момент часу. Для прискорення пучка до енергії 50 МеВ при напрузі, що прискорює 10 кеВ, знадобиться 2500 оборотів. Робоча частота протонного циклотрону може становити 20 МГц, тому час прискорення - близько 1 мс. Як і в лінійних прискорювачах, частинки в процесі прискорення в циклотроні повинні фокусуватися в поперечному напрямку, інакше всі вони, крім інжектованих зі швидкостями паралельними полюсним наконечникам магніту, випадуть із циклу прискорення. У циклотроні можливість прискорення частинок з кінцевим розкидом по кутах забезпечується наданням магнітному полю особливої ​​конфігурації, при якій частинки, що виходять з площини орбіти, діють сили, що повертають їх у цю площину. На жаль, за вимогами стабільності згустку частинок, що прискорюються, фокусуюча компонента магнітного поля повинна зменшуватися зі збільшенням радіуса. А це суперечить умові резонансу та призводить до ефектів, що обмежують інтенсивність пучка. Інший істотний фактор, що знижує можливості простого циклотрону, - релятивістський зростання маси, як необхідний наслідок збільшення енергії частинок:

У разі прискорення протонів синхронізм порушуватиметься через релятивістський приріст маси приблизно за 10 МеВ. Один із способів підтримки синхронізму - модулювати частоту прискорювальної напруги так, щоб вона зменшувалася в міру збільшення радіуса орбіти та збільшення швидкості частинок. Частота повинна змінюватися згідно із законом

Такий синхроциклотрон може прискорювати протони до енергії в кілька сотень мегаелектровольт. Наприклад, якщо напруженість магнітного поля дорівнює 2 Тл, частота повинна зменшуватися приблизно від 32 МГц в момент інжекції до 19 МГц і менше при досягненні частками енергії 400 МеВ. Така зміна частоти напруги, що прискорює, повинна відбуватися протягом декількох мілісекунд. Після того, як частинки досягають вищої енергії і виводяться з прискорювача, частота повертається до свого вихідного значення і в прискорювач вводиться новий потік. Але навіть при оптимальній конструкції магніту та найкращих характеристиках системи підведення високочастотної потужності можливості циклотронів обмежуються практичними міркуваннями: для утримання на орбіті часток, що прискорюються, з високою енергією потрібні надзвичайно великі магніти. Так, маса магніту циклотрону на 600 МеВ, спорудженого в лабораторії ТРІУМФ у Канаді, перевищує 2000 т, і він споживає електроенергію близько кількох мегават. Вартість споруди сихроциклотрона приблизно порпорційна кубу радіуса магніту. Тому для досягнення більш високих енергій за практично прийнятних витрат потрібні нові принципи прискорення.
Протонний синхротрон. p align="justify"> Висока вартість циклічних прискорювачів пов'язана з великим радіусом магніту. Але можна утримувати частки на орбіті з постійним радіусом, збільшуючи напруженість магнітного поля зі збільшенням їх енергії. Лінійний прискорювач інжектує на цю орбіту пучок частинок порівняно невеликої енергії. Оскільки утримуюче поле необхідно лише у вузькій області поблизу орбіти пучка, немає необхідності у магнітах, що охоплюють всю площу орбіти. Магніти розташовані лише вздовж кільцевої вакуумної камери, що дає величезну економію коштів. Такий підхід було реалізовано у протонному синхротроні. Першим прискорювачем подібного типу був "Коглядон" на енергію 3 ГеВ (рис. 4), який почав працювати у Брукхейвенській національній лабораторії у 1952 р. у США; за ним незабаром пішов "Беватрон" на енергію 6 ГеВ, збудований у Лабораторії ім. Лоуренс Каліфорнійського університету в Берклі (США). Споруджений спеціально для виявлення антипротону, він працював протягом 39 років, продемонструвавши довговічність та надійність прискорювачів частинок.

У синхротронах першого покоління, побудованих у США, Великобританії, Франції та СРСР, фокусування було слабким. Тому була велика амплітуда радіальних коливань частинок у процесі їхнього прискорення. Ширина вакуумних камер становила приблизно 30 см, і в цьому великому обсязі потрібно ретельно контролювати конфігурацію магнітного поля. У 1952 було зроблено відкриття, що дозволило різко зменшити коливання пучка, а отже, і розміри вакуумної камери. Це був принцип сильного або жорсткого фокусування. У сучасних протонних синхротронах з надпровідними квадрупольними магнітами, розташованими за схемою сильного фокусування, вакуумна камера може бути менше 10 см в поперечнику, що призводить до значного зменшення розмірів, вартості та потужності, що фокусують і відхиляють магнітів. Першим синхротроном, заснованим на цьому принципі, був "Синхротрон із змінним градієнтом" на енергію 30 ГеВ у Брукхейвені. Аналогічна установка була побудована у лабораторії Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві. У середині 1990-х років обидва прискорювачі все ще перебували в експлуатації. Апертура "Синхротрона зі змінним градієнтом" була приблизно в 25 разів менша, ніж у "Коглядона". Споживана магнітом потужність за енергії 30 ГеВ приблизно відповідала потужності, що споживається магнітом "Коглядона" при 3 ГеВ. "Синхротрон із змінним градієнтом" прискорював 6Ч1013 протонів в імпульсі, що відповідало найвищій інтенсивності серед установок цього класу. Фокусування у цьому прискорювачі здійснювалося тими самими магнітами, як і відхиляли пучок; це досягалося наданням полюсів магніту форми, показаної на рис. 5. У сучасних прискорювачах для відхилення та фокусування пучка, як правило, використовуються окремі магніти.

ЛАБОРАТОРІЯ ІМ. Е. ФЕРМІ поблизу Батавії (США). Довжина кола "Головного кільця" прискорювача становить 6,3 км. Кільце розташоване на глибині 9 м під коло в центрі знімка.

У середині 1990-х найбільшим протонним синхротроном був "Теватрон" Національної прискорювальної лабораторії ім. Е. Фермі у Батавії (США). Як нагадує сама назва, "Теватрон" прискорює згустки протонів у кільці діаметром 2 км до енергії близько 1 ТеВ. Прискорення протонів здійснюється цілою системою прискорювачів, починаючи з генератора Кокрофта - Уолтона як інжектор, з якого негативні іони водню з енергією 750 кеВ вводяться в лінійний прискорювач на енергію 400 МеВ. Потім пучок лінійного прискорювача пропускається через вуглецеву плівку для обдирання електронів і інжектується в проміжний синхротрон - бустер - діаметром 150 м. У бустері протони здійснюють приблизно 20 000 оборотів і набувають енергію 8 ГеВ. Зазвичай бустер виконує 12 швидко наступних один за одним робочих циклів, в результаті яких "Головне кільце" - ще один протонний синхротрон з протяжністю кільця 6,3 км - інжектується 12 згустків протонів. "Головне кільце", в якому протони прискорюються до енергії 150 ГеВ, складається з 1000 звичайних магнітів з мідними обмотками, що відхиляють та фокусують протони. Безпосередньо під "Головним кільцем" розташований кінцевий синхротрон "Теватрон", що складається з 1000 надпровідних магнітів. Пучок може виводитися багатьма каналами на відстань 1,5-3 км для проведення досліджень у зовнішніх експериментальних залах. Для утримання на орбіті пучків з вищими енергіями потрібні сильні магніти, що відхиляють і фокусують. Призначені для суб'ядерної "мікроскопії" протонні синхротрони на енергії більше 1 ТеВ вимагають тисяч надпровідних і фокусуючих магнітів довжиною 5-15 м з апертурою шириною кілька сантиметрів, що забезпечують виключно високу точність полів і стабільність їх у часі. Основними факторами, що стримують створення протонних синхротронів більш високі енергії, є велика вартість і складність управління, пов'язані з їх величезними розмірами.
ПРИСКОРЮВАЧІ ЗІ ЗУСТРІЧНИМИ ПУЧКАМИ
Циклічні колайдери.Далеко не вся енергія прискореної частки йде здійснення потрібної реакції. Значна її частина марно втрачається як віддачі, зазнаваної частинкою мішені з закону збереження імпульсу. Якщо налітаюча частка має енергію Е, а маса частинки мішені, що спочиває, дорівнює М, то корисна енергія становить

Таким чином, в експериментах з мішенню на "Теватроні" корисна енергія складає всього лише 43 ГеВ. Прагнення використовувати в дослідженнях частинок якомога вищі енергії призвело до створення в ЦЕРН і Лабораторії ім. Е.Фермі протон-антипротонних колайдерів, а також великої кількості установок в різних країнахіз зустрічними електрон-позитронними пучками. У першому протонному колайдері зіткнення протонів та антипротонів з енергіями 26 ГеВ відбувалися в кільці з довжиною кола 1,6 км (рис. 6). За кілька днів вдавалося накопичити пучки зі струмом до 50 а.

В даний час колайдер з найвищою енергією є "Теватрон", на якому проводяться експерименти при зіткненні пучка протонів, що мають енергію 1 ТеВ, із зустрічним пучком антипротонів тієї ж енергії. Для таких експериментів необхідні антипротони, які можна отримати, бомбардуючи пучком протонів високої енергії з "Головного кільця" металеву мішень. Антипротони, що народжуються в цих зіткненнях, накопичують в окремому кільці при енергії 8 ГеВ. Коли накопичено досить багато антипротонів, їх інжектують у "Головне кільце", прискорюють до 150 ГеВ і далі інжектують у "Теватрон". Тут протони та антипротони одночасно прискорюють до повної енергії, а потім здійснюють їх зіткнення. Сумарний імпульс частинок, що зіштовхуються, дорівнює нулю, так що вся енергія 2Е виявляється корисною. У випадку "Теватрону" вона досягає майже 2 ТеВ. Найбільша енергія серед електрон-позитронних колайдерів була досягнута на "Великому електрон-позитронному накопичувальному кільці" в ЦЕРН, де енергія пучків, що стикаються, на першому етапі становила 50 ГеВ на пучок, а потім була збільшена до 100 ГеВ на пучок. У ДЕЗІ споруджено колайдер ГЕРА, в якому відбуваються зіткнення електронів з протонами. Цей величезний виграш енергії досягається ціною значного зменшення ймовірності зіткнень між частинками зустрічних пучків низької щільності. Частота зіткнень визначається світністю, тобто. числом зіткнень в секунду, що супроводжуються реакцією цього типу, що має певний переріз. Світність лінійно залежить від енергії і струму пучка і обернено пропорційна його радіусу. Енергію пучка колайдера вибирають відповідно до енергетичного масштабу досліджуваних фізичних процесів. Для забезпечення найбільшої світності необхідно досягти максимально можливої ​​щільності пучків у місці їхньої зустрічі. Тому головним технічним завданням при проектуванні колайдерів є фокусування пучків у місці їх зустрічі в пляму дуже малих розмірів та збільшення струму пучка. Для досягнення потрібної світності можуть бути потрібні струми більше 1 А. Ще одна виключно складна технічна проблема пов'язана з необхідністю забезпечувати в камері колайдера надвисокий вакуум. Оскільки зіткнення між частинками пучків відбуваються порівняно рідко, зіткнення з молекулами залишкового газу можуть істотно послаблювати пучки, зменшуючи ймовірність взаємодій, що досліджуються. Крім того, розсіювання пучків на залишковому газі дає небажане тло в детекторі, здатне замаскувати фізичний процес, що вивчається. Вакуум у камері колайдера повинен лежати в межах 10-9 – 10-7 Па (10-11 – 10-9 мм рт. ст.) Залежно від світності. При нижчих енергіях можна прискорювати інтенсивніші пучки електронів, що дозволяє досліджувати рідкісні розпади В- і К-мезонів, обумовлені електрослабкими взаємодіями. Низка таких установок, іноді званих "фабриками ароматів", споруджується нині у США, Японії та Італії. Такі установки мають два накопичувальні кільця - для електронів і для позитронів, що перетинаються в одній або двох точках - областях взаємодії. У кожному кільці міститься багато згустків частинок при повному струмі більше 1 А. Енергії пучків вибираються з таким розрахунком, щоб корисна енергія відповідала резонансу, який розпадається на короткоживучі частки, що вивчаються - В- або К-мезони. В основі конструкції цих установок лежать електронний синхротрон та накопичувальні кільця.
Лінійні колайдери.Енергії циклічних електрон-позитронних колайдерів обмежуються інтенсивним синхротронним випромінюванням, яке випускають пучки прискорених частинок (див. нижче). Цього недоліку немає у лінійних колайдерів, у яких синхротронне випромінювання не позначається на процесі прискорення. Лінійний колайдер складається з двох лінійних прискорювачів на високі енергії, високоінтенсивні пучки яких - електронний і позитронний - спрямовані назустріч один одному. Пучки зустрічаються і стикаються лише один раз, після чого відводяться в поглиначі. Першим лінійним колайдером є "Стенфордський лінійний колайдер", який використовує Стенфордський лінійний прискорювач довжиною 3,2 км і працює при енергії 50 ГеВ. У системі цього колайдера згустки електронів і позитронів прискорюються в тому самому лінійному прискорювачі і розділяються після досягнення пучками повної енергії. Потім електронні та позитронні згустки транспортуються окремими дугами, форма яких нагадує трубки медичного стетоскопа, і фокусуються до діаметра близько 2 мкм в області взаємодії.
Нові технології.Пошуки більш економічних методів прискорення призвели до створення нових прискорювальних систем та високочастотних генераторів великої потужності, що працюють у діапазоні частот від 10 до 35 ГГц. Світність електрон-позитронних колайдерів має бути винятково високою, оскільки переріз процесів зменшується як квадрат енергії частинок. Відповідно до цього і щільності пучків повинні бути надзвичайно високими. У лінійному колайдері на енергію близько 1 ТеВ розміри пучків можуть досягати 10 нм, що набагато менше розмірів пучка в "Стенфордському лінійному колайдері" (2 мкм). При настільки малих розмірах пучків для точного узгодження елементів, що фокусують, необхідні дуже потужні стабільні магніти зі складними електронними автоматичними регуляторами. При проходженні електронного та позитронного пучків один через одного їх електрична взаємодія нейтралізується, а магнітне посилюється. В результаті магнітні поля можуть досягати 10000 Тл. Такі гігантські поля здатні сильно деформувати пучки та призводити до великого енергетичного розкиду внаслідок генерації синхротронного випромінювання. Ці ефекти поряд з економічними міркуваннями, пов'язаними зі спорудженням все більш і більше протяжних машин, будуть ставити межу енергії, яку можна досягти на електронно-позитронних колайдерах.
ЕЛЕКТРОННІ НАКОПЮВАЧІ
Електронні синхротрони ґрунтуються на тих же принципах, що й протонні. Однак завдяки одній важливій особливості вони простіші в технічному відношенні. Трохи маси електрона дозволяє інжектувати пучок при швидкостях, близьких до швидкості світла. Тому подальше збільшення енергії не пов'язане з помітним збільшенням швидкості, і електронні синхротрони можуть працювати при фіксованій частоті напруги, що прискорює, якщо пучок інжектується з енергією близько 10 МеВ. Однак ця перевага зводиться нанівець іншим наслідком дещиці електронної маси. Оскільки електрон рухається по круговій орбіті, він рухається з прискоренням (доцентровим), а тому випускає фотони - випромінювання, яке називається синхротронним. Потужність Р синхротронного випромінювання пропорційна четвертого ступеня енергії пучка Е і струму I, а також обернено пропорційна радіусу кільця R, так що вона пропорційна величині (E/m)4IR -1. Ця енергія, що втрачається при кожному обороті електронного пучка по орбіті, повинна компенсуватися високочастотною напругою, що подається на проміжки, що прискорюють. У розрахованих на великі інтенсивності "фабрики аромату" такі втрати потужності можуть досягати десятків мегават. Циклічні прискорювачі типу електронних синхронотів можуть використовуватися як накопичувачі великих циркулюючих струмів з постійною високою енергією. Такі накопичувачі мають два основні застосування: 1) у дослідженнях ядра та елементарних частинок методом зустрічних пучків, про що йшлося вище, та 2) як джерела синхротронного випромінювання, що використовуються в атомній фізиці, матеріалознавстві, хімії, біології та медицині. Середня енергія фотонів синхротронного випромінювання пропорційна (E/m)3R-1. Таким чином, електрони з енергією порядку 1 ГеВ, що циркулюють у накопичувачі, випромінюють інтенсивне синхротронне випромінювання в ультрафіолетовому та рентгенівському діапазонах. Більшість фотонів випускається не більше тонкого вертикального кута порядку m/E. Оскільки радіус електронних пучків у сучасних накопичувачах на енергію порядку 1 ГеВ вимірюється десятками мікрометрів, пучки рентгенівського випромінювання, що випускаються ними, характеризуються високою яскравістю, а тому можуть служити потужним засобом дослідження структури речовини. Випромінювання випромінюється по дотичній до криволінійної траєкторії електронів. Отже, кожен магніт, що відхиляє електронного накопичувального кільця, коли через нього проходить згусток електронів, створює розгортається "прожекторний промінь" випромінювання. Воно виводиться довгими вакуумними каналами, що стосуються основної вакуумної камери накопичувача. Розташовані вздовж цих каналів щілини та коліматори формують вузькі пучки, з яких далі за допомогою монохроматорів виділяється потрібний діапазон енергій рентгенівського випромінювання. Першими джерелами синхротронного випромінювання були установки, спочатку споруджені на вирішення завдань фізики високих енергій. Прикладом може бути Стенфордський позитрон-електронний накопичувач на енергію 3 ГеВ Стенфордської лабораторії синхротронного випромінювання. На цій установці свого часу було відкрито "зачаровані" мезони. Перші джерела синхротронного випромінювання не мали тієї гнучкості, яка дозволяла б їм задовольняти різноманітні потреби сотень користувачів. Швидке зростання потреби у синхротронному випромінюванні з високим потоком та великою інтенсивністю пучка викликало до життя джерела другого покоління, спроектовані з урахуванням потреб усіх можливих користувачів. Зокрема, було обрано системи магнітів, що зменшують еміттанс електронного пучка. Малий еміттанс означає менші розміри пучка і, отже, вищу яскравість джерела випромінювання. Типовими представниками цього покоління стали накопичувачі в Брукхейвені, які служили джерелами рентгенівського випромінювання та випромінювання вакуумної ультрафіолетової області спектру. Яскравість випромінювання можна також збільшити, змусивши пучок рухатися синусоїдальної траєкторії в періодичній магнітній структурі і потім об'єднуючи випромінювання, що виникає при кожному згині. Ондулятори - магнітні структури, що забезпечують подібний рух, є рядом магнітних диполів, що відхиляють пучок на невеликий кут, розташованих по прямій на осі пучка. Яскравість випромінювання такого ондулятора може в сотні разів перевищувати яскравість випромінювання, що виникає в магнітах, що відхиляють. У 1980-х років почали створюватися джерела синхротронного випромінювання третього покоління з великою кількістю таких ондуляторів. Серед перших джерел третього покоління можна відзначити "Удосконалене джерело світла" з енергією 1,5 ГеВ в Берклі, що генерує м'яке рентгенівське випромінювання, а також "Удосконалене джерело фотонів" з енергією 6 ГеВ в Аргоннській національній лабораторії (США) та синх у Європейському центрі синхротронного випромінювання у Греноблі (Франція), що використовуються як джерела жорсткого рентгенівського випромінювання. Після успішного спорудження цих установок було створено низку джерел синхротронного випромінювання та інших місцях. Новий крок у напрямку більшої яскравості в діапазоні від інфрачервоного до жорсткого рентгенівського випромінювання пов'язаний з використанням у системі відхиляючих магнітів "теплих" магнітних диполів з напруженістю магнітного поля близько 1,5 Тл і набагато короткіших надпровідних магнітних диполів з полем у кілька тесла. Такий підхід реалізується у новому джерелі синхротронного випромінювання, створюваному інституті П. Шеррера у Швейцарії, і за модернізації джерела у Берклі. Застосування синхротронного випромінювання в наукових дослідженняхнабуло великого розмаху і продовжує розширюватися. Виняткова яскравість таких пучків рентгенівського випромінювання дозволяє створити нове покоління рентгенівських мікроскопів для вивчення біологічних систем у їхньому нормальному водному середовищі. Відкривається можливість швидкого аналізу структури вірусів та білків для розробки нових фармацевтичних препаратів з вузькою спрямованістю дії на хвороботворні фактори та мінімальними побічними ефектами. Яскраві пучки рентгенівського випромінювання можуть бути потужними мікрозондами виявлення найменших кількостей домішок і забруднень. Вони дають можливість дуже швидко аналізувати екологічні спроби при дослідженні шляхів забруднення. довкілля. Їх можна використовувати для оцінки ступеня чистоти великих кремнієвих пластин перед дорогим процесом виготовлення дуже складних інтегральних схем, і вони відкривають нові перспективи для методу літографії, дозволяючи в принципі створювати інтегральні схеми з елементами менше 100 нм.
ПРИСКОРЮВАЧІ У МЕДИЦІНІ
Прискорювачі відіграють важливу практичну роль у медичній терапії та діагностиці. Багато лікарняних закладів у всьому світі сьогодні мають у своєму розпорядженні невеликі електронні лінійні прискорювачі, що генерують інтенсивне рентгенівське випромінювання, яке застосовується для терапії пухлин. Щонайменше використовуються циклотрони або синхротрони, що генерують протонні пучки. Перевага протонів у терапії пухлин перед рентгенівським випромінюванням полягає у більш локалізованому енерговиділенні. Тому протонна терапія особливо ефективна при лікуванні пухлин мозку та очей, коли пошкодження навколишніх здорових тканин має бути по можливості мінімальним. Див. також