Частицы
Все сложное многообразие мира состоит из частиц, в том числе мы сами. Физики постепенно продвигаются вглубь строения вещества: от молекул к атомам, от атомов к ядру, от ядра к элементарным частицам, которые на данный момент на практике невозможно поделить на составные части.
В погоне за новыми частицами и изучением их свойств используют уникальные установки и методы. Можно сказать, что создание первых ускорителей открыло новую эру в ядерной физике.
Ускорители заряженных частиц изначально создавали для исследования строения вещества. Ведь если знать и понимать принципы, которые лежат в основе строения материи, можно научиться этими процессами управлять. Например, мы знаем, что такое кирпич — знаем его массу, геометрические размеры, знаем, как их скреплять между собой — эти знания позволяют нам строить здания. В основе строения веществ тоже есть свои кирпичи — молекулы, атомы. Знания о молекулах позволили получить новые материалы — сплавы металлов, полимеры. Освоив атом, был открыт отдельный мир нанотехнологий. Ускоритель частиц позволяет заглянуть еще глубже — внутрь атома и атомного ядра.
На ускорителях были получены важнейшие результаты в исследованиях микромира: ученые достигли глубокого понимания физических законов, которые управляют материей, энергией, пространством и временем. Были открыты новые частицы, установлены закономерности в изучении фундаментальных сил природы.
В этой статье разберем, каким образом все это стало возможным, расскажем про ускорители в целом и Протвинский ускоритель и его достижения в частности.
Физика микромира и зачем вообще нужны ускорители
Ускоренные частицы сравнительно низких энергий применяются в получении изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, получении рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушении раковых клеток и уничтожении бактерий.
Для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил используют заряженные частицы, ускоренные до более высоких энергий. Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий сталкивающихся частиц.
Как изучить то, чего не видно глазами
В повседневной жизни для того, чтобы что-то рассмотреть, нам нужен источник излучения, объект исследования и приемник (наши глаза). Нельзя ничего исключить из этой цепочки. Без источника излучения, в темноте мы не сможем ничего увидеть. Без объекта исследования нечего будет наблюдать. Без приемника будет нечем наблюдать.
Например, есть предмет, допустим это дом. Каким образом мы можем его изучить? С физической точки зрения это происходит так: солнце освещает дом лучом, фотоны отражаются от дома и наш глаз это фиксирует.
Для того чтобы изучить объекты микромира, мы используем те же методы. Ускоритель частиц — аналог источника излучения. Мишень, как правило, макроскопический объект (например, пластинка, фольга). Детектор — аналог приемника, регистрирует то, что происходит после взаимодействия частиц с мишенью.
Схема проведения типичного эксперимента показана на рисунке. Пучок заряженных частиц (несколько частиц сразу) разгоняют до очень высокой скорости, и направляют его на мишень, с которой частицы сталкиваются. В результате взаимодействия частиц пучка с частицами мишени из мишени вылетают различные частицы, которые регистрируются с помощью детектора. И этот результат изучают.
Современные ускорители умеют формировать пучки различных частиц (p, e, π, K, ν и др.) и ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ (1 ТэВ приблизительно равен кинетической энергии летящего комара или энергии, выделяющейся при падении маленькой капли воды диаметром в 1 мм с высоты 3 см).
Отличие физики микромира от физики классических объектов.
При столкновении двух частиц, размером много меньше атома, взаимодействие между ними может произойти, а может и нет. Мы не можем точно предсказать результат столкновения, можем только оценить вероятность того или иного исхода. Таким образом, на сверхмалых расстояниях мы оперируем понятиями вероятности событий.
Это вероятностное, а не строго определенное знание (или предсказание) того или иного события отличает физику микромира от физики классических объектов.
Про типы ускорителей
Как мы уже частично разобрали, ускоритель частиц — это устройство, которое ускоряет субатомные частицы до высоких скоростей, используя электромагнитные поля. Он генерирует пучок заряженных частиц, который используется в многочисленных исследовательских целях. Ускорители условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются в процессе ускорения, можно разбить на два класса — линейные (или прямого действия) и циклические.
Ускорители
Как следует из самих названий, в линейных ускорителях частицы в процессе ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических — либо по одной и той же замкнутой траектории (по кругу) — синхротроны, либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль — циклотроны, микротроны. Мы подробнее поговорим про Синхротрон — кольцевой циклический ускоритель заряженных частиц. Потому что именно таким типом ускорителя является У-70 в Протвино. Он позволяет ускорять как лёгкие заряженные частицы (электроны, позитроны), так и тяжёлые (протоны, антипротоны, ионы) до самых больших энергий.
В синхротронах магнитное поле переменное, и частицы двигаются по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона (рис.2). Магнитная система является важнейшим звеном в ускорителе. Она состоит из 2-х типов чередующихся кольцевых магнитов: отклоняющих и фокусирующих. Отклоняющие (двухполюсные или дипольные) удерживают частицы на орбите: частицы увеличивают свою энергию под действием электрического поля, которое направлено вдоль импульса частицы, и удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных отклоняющих кольцевых магнитов. Фокусирующие магниты (четырёх-полюсные или квадрупольные) интегрированы в систему, чтобы собирать частицы в узкий пучок (как линзы свет). Название «синхротрон» обусловлено тем, что частицы в нем двигаются за счёт того, что темп нарастания их энергии в ускоряющих промежутках синхронизован со скоростью нарастания магнитного поля на орбите неизменного радиуса. По достижении максимального магнитного поля ускоренные частицы либо направляются на неподвижную мишень, либо (в коллайдерах) сталкиваются со встречным пучком, после чего цикл ускорения повторяется.
Ускоритель в Протвино
Ускоритель протонов на энергию 70 ГэВ ввели в действие в 1967 г. В течение пяти лет он оставался крупнейшей в мире ускорительной установкой и до сих пор действует и остается самым высокоэнергетичным ускорителем России. Сейчас Ускорительный комплекс У-70 включает в себя два линейных ускорителя И-100 и УРАЛ-30 и два кольцевых ускорителя: У-1,5 и протонный синхротрон У-70. Ускорительный комплекс постоянно совершенствуется.
Периметр У-70 — около 1,5 км. Общий вес магнитной системы — свыше 20 000 т. Комплекс работает в импульсном режиме следующим образом:
- Протоны ускоряются до 30 МэВ в линейном ускорителе УРАЛ-30 и инжектируются в бустерный синхротрон У-1.5 периметром 100 м.
- Там они ускоряются до энергии 1,32 ГэВ, после чего перепускаются в У-70.
- Далее в течение ~ 9с следует цикл ускорения до максимальной энергии 76 ГэВ, и пучок используется для формирования различных вторичных пучков частиц.
Открытия
Ученые-теоретики ИФВЭ изучают процессы взаимодействия элементарных частиц при высоких энергиях, физику тяжелых кварков, проблемы квантовой теории поля, теорию гравитации.
Эксперименты были ориентированы на поиск и исследование новых физических явлений при энергиях, недоступных ранее на ускорителях: полные сечения взаимодействий адронов, сечения упругого рассеяния на малые углы, поиск частиц с дробным зарядов кварков, поиск новых короткоживущих частиц, ядер антиматерии.
На ускорителе ИФВЭ сделан ряд фундаментальных открытий и получены научные результаты, обогатившие мировую науку. Учеными ИФВЭ обнаружены более 20 частиц с уникальными свойствами (принципиально новый тип материи, многокварковые состояния, высокие спины), редкие моды распада легких мезонов, определены электромагнитная и кварковая структуры адронов, разработана и реализована высокочастотная квадрупольная фокусировка и многое многое другое.
- Экспериментальное установление неизвестного ранее явления образования антигелия-3 — антиядра с числом антипротонов больше единицы, обусловленного сильным взаимодействием между антинуклонами (за № 104 с приоритетом от 28 января 1970 г.);
- Закономерность в энергетической зависимости полных сечений (Серпуховский эффект) (за № 137 с приоритетом от 24 мая 1971 г.);
- Закономерность масштабной инвариантности сечений образования адронов (за № 228 с приоритетом от 5 марта 1969 г.)
- Закономерность изменения радиуса сильного взаимодействия протонов при высоких энергиях (за № 244 с приоритетом от 22 июля 1969г.);
- Явление потенциального рассеяния протонов высоких энергий (за № 246 с приоритетом от 10 июля 1963 г.);
- Явление образования элементарной частицы h-мезона (за № 275 с приоритетом от 13 июня 1975 г.);
- Явление фокусировки пучка заряженных частиц в однородном вдоль оси пучка переменном электрическом поле (за № 350 с приоритетом от 25 марта 1969 г.);
- Явление изменения знака поляризации протонов при их упругом рассеянии на протонах при высоких энергиях (за № 387 с приоритетом от 9 июля 1975 г.).
О проекте УНК (Ускорительно-накопительный комплекс)
В 1983 году начали разрабатывать проект протон-протонного коллайдера на сверхпроводящих магнитах на энергию 3 ТэВ, который стал бы самым мощным в мире.
В проекте УНК предполагались две ступени: одна должна была принять из У-70 пучок протонов с энергией 70 ГэВ и поднять ее до промежуточного значения 400–600 ГэВ. Во втором кольце (вторая ступень) энергия протонов поднималась бы до максимальной величины.
Обе ступени УНК должны были разместиться в одном кольцевом тоннеле, размерами превосходящем кольцевую линию Московского метрополитена.
Длина основного кольца УНК составляет 21 км, внутренний диаметр — 5 метров. Для сравнения длина основного кольца Большого Адронного Коллайдера (ЦЕРН, Швейцария) равна 26,7 км.
Комплекс сооружений общей стоимостью около 950 млн долларов практически был достроен (освоено 80% бюджета): закончена проходка подземного тоннеля диаметром 5,1 м и длиной около 21 км, подготовлены системы, закуплено оборудование. В 1994 году строители осуществили сбойку последнего и самого сложного по гидрогеологическим условиям (из-за грунтовых вод) участка 21-километрового тоннеля.
Но, к сожалению, из-за развала СССР и прекращения финансирования ни заказывать оборудование, ни платить зарплаты рабочим стало невозможно. Ситуацию усугубил кризис 1998 года. Проект пришлось остановить. А после того, как было принято решение участвовать в запуске Большого адронного коллайдера, от завершения УНК отказались окончательно. Сейчас он находится в законсервированном состоянии.