Ускорители заряженных частиц

Опубликовано 20.10.2010 Ведущий Антон Степанов

За многие годы развития экспериментальная физика прошла долгий путь от элементарных опытов и случайных наблюдений, вспомним, например Ньютона и его яблоко, до современных исследований, сложных и дорогостоящих. Наверное, вершиной развития научной мысли в наше время можно назвать эксперименты по изучению физики элементарных частиц. Их поведения, трансформаций, взаимодействий. Это область физики высоких энергий, для проведения экспериментов в ней потребовалось сконструировать и построить устройства, общий класс которых называют ускорителями заряженных частиц. Такие устройства имеют общее назначение - получение заряженных частиц высоких энергий и регистрация результатов их столкновения друг с другом или с неподвижной мишенью. В результате такого столкновения в микроскопическом объеме возникает концентрация очень высокой энергии и, как следствие, рождение новых частиц. Их свойства и изучают ученые.
Но, несмотря на общее назначение, ускорители различаются по принципу работы, по тому, как происходит процесс ускорения, а так же по условиям эксперимента, частицам с которыми работает тот или иной ускоритель. В этом плане их можно сравнить с автомобилями - все они предназначены для транспортировки, но, скажем, легковой автомобиль, грузовик и автобус имеют существенные различия в конструкции и способу использования.
В основе работы всех ускорителей - взаимодействие частиц с внешними электрическим и магнитным полями. Электрическое поле увеличивает энергию частицы, разгоняет ее. А магнитное - отклоняет ее по нужной траектории, фокусирует пучок, не меняя его энергии.
В целом, все ускорители можно разделить на два больших класса. Линейные - в которых пучок частиц однократно проходит через прямой ускоряющий участок, в конце которого происходит столкновение. И циклические, где происходит разгон частиц при многократном прохождении замкнутой кривой.
Рассмотрим вкратце некоторые виды ускорителей.
Итак, Циклотрон. В нем имеются два полых полукруглых электрода - полуцилиндра, между которыми приложено переменное электрическое напряжение. Кроме того, они помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Ускоряемые частицы помещаются в центр камеры и под воздействием полей движутся внутри полостей электродов. Магнитное поле искривляет их траекторию. Проходя через пространство между электродами, частицы каждый раз ускоряются. Частота изменения полярности напряжения на электродах при этом равна частоте обращения частицы. Растет энергия частицы и радиус ее вращения и через какое то время частица, разогнавшись, покидает пределы циклотрона. Циклотрон - первый циклический ускоритель, построен в 30ых годах 20го века. Его применяют для ускорения тяжелых частиц до сравнительно небольших энергий порядка 20-25 МэВ.
В бетатроне ускорение происходит с помощью вихревого электрического поля.
Синхротрон имеет кольцевую вакуумную камеру, в которой создается растущее по времени магнитное поле, а так же с постоянной частотой ускоряющего электрического поля. В камере разгоняют частицы, которые попадают в ускоряющее поле всегда в резонансе с изменением поля. Такие устройства достаточно мощные. Знаменитый синхрофазотрон в Дубне разгонял частицы до энергий в 10ГэВ, что было рекордом для того времени - середины прошлого века. Диаметр его магнита примерно 60м, а вес 36 000т. Мощность генераторов - 140МВт.
Но это далеко не предел. Знаменитый БАК - Большой адронный коллайдер, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов свинца имеет почти 27и километровую длину кольца. Адронный - значит ускоряющий адроны, частицы, состоящие из кварков. А коллайдеры - это особый вид ускорителей, в которых сталкиваются встречные пучки частиц. Их в мире примерно полтора десятка. В США, Китае, Европе и Японии. БАК - самый крупный и мощный из них. В нем предполагается производить ряд экспериментов направленных на изучение таких задач, как фотон-адронные столкновения, поиск суперсимметрии и изучение топ кварков.
Скорость встречных частиц в ускорителе близка к скорости света в вакууме. Ускорение происходит поэтапно. Первоначально происходит разгон частиц в линейном ускорителе, после чего они последовательно попадают в кольца трех синхротронов разного диаметра и, наконец, непосредственно в большой туннель, где происходит окончательный разгон в противоположных направлениях до максимальной энергии и столкновение в определенных точках у детекторов.
Протоны в нем сталкиваются с общей энергией порядка 14ти терраэлектронвольт! Кинетическая энергия всех адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма. Такая энергия достигается за счет колоссальной скорости частиц, близкой к скорости света. Туннель находится под землей на глубине от 50ти до 175ти метров, а фокусирующие сверхпроводники-магниты охлаждаются до температуры -271*С. Такой сложный механизм еще находится в отладке и, когда будет запущен на полную мощность, поможет ученым в разгадке доселе неизученных тайн науки.