Создание ускорителей заряженных частиц

Микромир загадочен и недоступен нашим органам чувств. Единственный способ, который можно применить для его исследования,— это взаимодействие. Но для преодоления ядерных сил, удерживающих частицы в ядре, частицу-снаряд нужно разогнать до неимоверных скоростей, или, как говорят физики, сообщить частице необходимую энергию. Для этого существуют ускорители элементарных частиц.

Быстрее, быстрее, быстрее...

Для того чтобы познать микромир и расширить наши познания о материи в целом, современные физики-экспериментаторы, как и столетия назад, проводят опыты. Но микромир можно исследовать только с помощью «частиц-разведчиков», разогнанных до сверхвысоких энергий, ибо энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Для получения нужной энергии требуются мощные электрические и магнитные поля, для чего и сооружают огромные по размерам и сложности машины — ускорители.

Попробуем разобраться в сути устройства ускорителя.

Попав между электродами с разными зарядами, заряженная частица ускоряет движение под действием электрических сил, это известно из школьного курса физики.

Именно это явление и породило идею создания в 1930-е годы линейного ускорителя.

Линейный ускоритель представляет собой длинную трубу, в которой поддерживается вакуум. Заряженные частицы движутся по прямой, последовательно проходя сквозь цепочку электродов. От специального генератора на электроды подают переменное электрическое напряжение так, что когда первый электрод оказывается заряженным, допустим, положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно и так далее.

Попадая в ускоритель из электронной «пушки», пучок электронов под действием потенциала первого, положительного, электрода начинает ускоряться, пролетая сквозь него. В этот же момент напряжение меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь он уже отталкивает от себя электроны. А второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Таким образом, частица ускоряется всякий раз, когда оказывается в промежутке между соседними электродами.

«Самое непостижимое в этом мире — то, что он постижим» (Альберт Эйнштейн)

Линейные ускорители позволяют увеличить энергию электронов до 1 - 10 гигаэлектронвольт (ГэВ). Поскольку линейный ускоритель имеет ограниченную длину, то разогнать частицы можно лишь до определенных энергий, а значит, необходимо было разрабатывать другие типы ускорителей.

Чем глубже физики проникали в структуру ядра, тем большей энергии требовались частицы. Возникла необходимость строить еще более мощные ускорители—синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся по замкнутой окружности в кольцевой камере. Траекторию частицы поддерживает большое число магнитных секций, расположенных друг за другом вдоль кольца.

Максимальная энергия протонов в современных синхрофазотронах — 500 ГэВ.

В поисках частицы бога

В науке и технике в настоящее время нашли широкое применение ускорители заряженных частиц — установки для получения пучков заряженных частиц высоких энергий — от десятков килоэлектронвольт (кэВ) до нескольких тераэлектронвольт (ТэВ).

Крайним шагом на сегодня стало создание коллайдеров—ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов.

И вот в 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком,— Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он расположен в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеялись, и, надо сказать, не зря, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Четвертого июля 2012 года физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) официально объявили об открытии новой частицы, похожей на бозон Хиггса, и только 14 марта 2013 года исследователи подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Бозон Хиггса — это элементарная частица, играющая ключевую роль в понимании механизмов образования и развития нашей Вселенной после так называемого Большого взрыва. Сама частица имеет много почетных прозвищ: «Частица Бога», «Ангел Творения», «Кирпич, который построил Вселенную». Можно сказать, бозон Хиггса улавливает частицы, которые перемещаются вокруг, и превращает их в материю.

То есть, если говорить очень упрощенно, бозоны Хиггса придают массу всем, а может, и не всем, но многим другим элементарным частицам, что делает возможным существование атомов, из которых состоит Вселенная.

«Истина всегда оказывается проще, чем можно было предположить» (Ричард Фейнман)

Основные применения ускорителей относятся к разным отраслям науки и техники. Перечислим лишь некоторые. В медицине это лечение онкологических заболеваний и радиодиагностика. В инженерии — производство полупроводниковых устройств, радиационная дефектоскопия, радиационное сшивание полимеров, радиационная очистка топочных газов и сточных вод. Но все же по-прежнему к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц — это главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Ведь большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены только на ускорителях. Эти потребности физики элементарных частиц и являются главным стимулом для развития ускорительной техники.