Ускорители заряженных частиц

У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра – обстрелять его частицами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений, возникающих при естественном распаде радиоактивных элементов. Но вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже «заглянуть» в ядро, физикам пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких энергий.

Известно, что, попав между электродами с разным зарядом, заряженная частица, например, электрон или протон, ускоряет движение под действием электрических сил. Это явление и породило в 1930‑е годы идею создания так называемого линейного ускорителя.

По конструкции линейный ускоритель представляет собой длинную прямую трубку‑камеру, внутри которой поддерживается вакуум. По всей длине камеры расставлено большое количество металлических трубок‑электродов. От специального генератора высокой частоты на электроды подают переменное электрическое напряжение – так, что, когда первый электрод оказывается заряженным, допустим положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова положительный электрод, за ним – отрицательный.

Пучок электронов выстреливается из электронной «пушки» в камеру и под действием потенциала первого, положительного электрода начинает ускоряться, проскакивая сквозь него дальше. В этот же момент фаза питающего напряжения меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь уже он отталкивает от себя электроны, как бы подгоняя их сзади. А второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Потом, когда электроны пролетят через него, он снова станет отрицательным и подтолкнет их к третьему электроду.

Так по мере движения вперед электроны постепенно разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в сотни миллионов электрон‑вольт. Через установленное в конце трубы окошко, непроницаемое для воздуха, порция ускоренных электронов обрушивается на изучаемые объекты микромира – атомы и их ядра.

Нетрудно понять, что чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем длиннее должна быть труба линейного ускорителя – десятки, а то и сотни метров. Но не всегда это возможно. Вот если бы свернуть трубу в компактную спираль. Тогда такой ускоритель свободно мог бы разместиться в лаборатории.

Воплотить эту идею в жизнь помогло еще одно физическое явление. Заряженная частица, попав в магнитное поле, начинает двигаться не по прямой, а «завивается» вокруг магнитных силовых линий. Так появился еще один тип ускорителя – циклотрон. Первым циклотрон был построен еще в 1930 году Э. Лоуренсом в США.

Основная часть циклотрона – мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых металлических коробок, разделенных небольшим зазором. Эти коробки – дуанты – служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц – что‑то вроде электронной «пушки».

Вылетев из источника, частица (предположим, что теперь это положительно заряженный протон) сразу же притягивается к электроду, заряженному в данный момент отрицательно. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время первый электрод становится положительным и теперь выталкивает частицу, в то время как другой втягивает ее в себя. Так, переходя из одного дуанта в другой, частица набирает скорость и описывает раскручивающуюся спираль. Из камеры частицы выводятся с помощью специальных магнитов на мишени экспериментаторов.

Чем ближе скорость частиц в циклотроне подходит к скорости света, тем они становятся тяжелее и начинают постепенно отставать от меняющего свой знак электрического напряжения на дуантах. Они уже не попадают в такт электрическим силам и перестают ускоряться. Предельная энергия, которую удается сообщить частицам в циклотроне, составляет 25‑30 МэВ.

Чтобы преодолеть этот барьер, частоту электрического напряжения, поочередно подаваемого на дуанты, постепенно уменьшают, подстраивая ее в такт «отяжелевшим» частицам. Ускоритель такого типа называется синхроциклотроном.

На одном из крупнейших синхроциклотронов в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой) получают протоны с энергией 680 МэВ и дейтроны (ядра тяжелого водорода – дейтерия) с энергией 380 МэВ. Для этого потребовалось соорудить вакуумную камеру диаметром 3 метра и электромагнит массой 7000 тонн!

По мере того как физики все глубже проникали в структуру ядра, требовались частицы все более высоких энергий. Возникла необходимость строить еще более мощные ускорители – синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся не по спирали, а по замкнутой окружности в кольцевой камере. В 1944 году независимо друг от друга советский физик В.И. Векслер и американский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть метода заключается в следующем: если определенным образом подобрать поля, частицы будут все время автоматически попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 году американские ученые Э. Курант, М. Ливингстон и Х. Снайдер предложили так называемую жесткую фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий удалось создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.

Существует и другая система классификации ускорителей – по типу ускоряющего электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счет высокой разности потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует все время, пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях «работает» вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях используют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «комплекта» частиц. Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют в виду в основном кольцевые резонансные ускорители.

В еще одном виде ускорителей – протонном – на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к скорости света. Они обращаются по круговой орбите с постоянной частотой. Ускорители для протонов высоких энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных расположены в США, Швейцарии и России.

Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 1000 МэВ). Один из самых крупных в мире – протонный синхрофазотрон У‑70 Института физики высоких энергий в городе Протвино под Москвой, вступивший в строй в 1967 году. Диаметр ускорительного кольца составляет полтора километра, общая масса 120 магнитных секций достигает 20000 тонн. Каждые две секунды ускоритель выстреливает по мишеням залпом из 10 в двенадцатой степени протонов с энергией 76 ГэВ (четвертый показатель в мире). Чтобы достигнуть такой энергии, частицы должны совершить 400000 оборотов, преодолев расстояние в 60000 километров! Здесь же сооружен подземный кольцевой тоннель длиной двадцать один километр для нового ускорителя.

Интересно, что пуски ускорителей в Дубне или Протвино в советские времена проводились только по ночам, поскольку на них подавалась чуть ли не вся электроэнергия не только Московской, но и соседних областей!

В 1973 году американские физики привели в действие в городе Батавии ускоритель, в котором частицам удавалось сообщить энергию в 400 ГэВ, а потом довели ее до 500 ГэВ. Сегодня самый мощный ускоритель находится в США. Он называется «Тэватрон», поскольку в его кольце длиной более шести километров с помощью сверхпроводящих магнитов протоны приобретают энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ равен 1000 ГэВ).

Чтобы достичь еще более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с материалом исследуемого физического объекта, надо разогнать «мишень» навстречу «снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в особых ускорителях – коллайдерах. Конечно, плотность частиц во встречных пучках не столь велика, как в материале неподвижной «мишени», поэтому для ее увеличения применяют так называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями» вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами, компенсирующими частицам потерю энергии. Именно с коллайдерами ученые связывают дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в самых развитых странах мира – в США, Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных исследований, базирующемся в Швейцарии.

Современный ускоритель – это «фабрика» по производству интенсивных пучков частиц – электронов или в 2000 раз более тяжелых протонов. Пучок частиц из ускорителя направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, «мишень». При соударении с ней возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение новых частиц и есть цель опытов.

С помощью специальных устройств – детекторов – эти частицы либо их следы регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц, электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки информации, полученной с детекторов, на компьютерах восстанавливают всю «историю» взаимодействия и, сопоставив результаты измерений с теоретической моделью, делают выводы: совпадают реальные процессы с построенной моделью или нет. Именно так добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц.

Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на атом «мишени» или на встречную частицу в коллайдере, тем мельче будут «осколки».

С помощью коллайдера в США, например, проводятся эксперименты с целью воссоздания в лабораторных условиях Большого взрыва, с которого, как предполагается, началась наша Вселенная. В этом смелом эксперименте принимали участие физики из двадцати стран, среди которых были и представители России. Российская группа летом 2000 года непосредственно участвовала в эксперименте, дежурила на ускорителе, снимала данные.

Вот что говорит один их российский ученых – участников этого эксперимента – кандидат физико‑математических наук, доцент МИФИ Валерий Михайлович Емельянов: «В 60 милях от Нью‑Йорка, на острове Лонг‑Айленд, был построен ускоритель RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider – коллайдер на тяжелых релятивистских ионах. «Тяжелых» – поскольку уже в этом году он начал работать с пучками ядер атомов золота. «Релятивистских» – тоже понятно, речь идет о скоростях, при которых во всей красе проявляются эффекты специальной теории относительности. А «коллайдером» (от collide – сталкиваться) он называется потому, что в его кольце происходит столкновение встречных пучков ядер. Кстати, в нашей стране ускорителей такого типа нет. Энергия, которая приходится на один нуклон, составляет 100 ГэВ. Это очень много – почти вдвое больше ранее достигнутого. Первое физическое столкновение было зафиксировано 25 июня 2000 года». Задачей ученых было попытаться зарегистрировать новое состояние ядерного вещества – кварк‑глюонную плазму.

«Задача очень сложна, – продолжает Емельянов, – а математически – вообще некорректна: одно и то же фиксируемое распределение вторичных частиц по импульсам и скоростям может иметь совершенно разные причины. И только при детальном эксперименте, в котором задействована масса детекторов, калориметры, датчики множественности заряженных частиц, счетчики, регистрирующие переходное излучение, и т п., есть надежда зарегистрировать тончайшие отличия, присущие именно кварк‑глюонной плазме. Механизм взаимодействия ядер при столь больших энергиях интересен сам по себе, но куда важнее, что впервые в лабораторных условиях мы можем исследовать зарождение нашей Вселенной».