Zašto fizičarima treba novi sudarač?
Ako pitate fizičare koji će im drugi sudarač trebati u bliskoj budućnosti, najvjerojatnije ćete dobiti odgovor da je to elektron-pozitronski sudarač.

Zašto nam uopće treba novi sudarač i zašto se ne možemo snaći samo s LHC-om?

Odgovor na ovo pitanje leži u prirodi ubrzanih čestica. Protoni ubrzani na LHC-u sudjeluju u procesima "jake" interakcije. "Jaka" interakcija jedna je od četiri temeljne interakcije prirode zajedno sa "slabom", elektromagnetskom i gravitacijskom interakcijom. Kao što naziv sugerira, "snažna" interakcija je najjača od svih vrsta interakcija. Njegova snaga daleko premašuje sile "slabe" i elektromagnetske interakcije, a još više gravitaciju, koja je (ma koliko to čudno izgledalo!) najslabija od svih postojećih interakcija. Pa zašto većina ljudi nikada nije čula za postojanje "jake" sile, iako smo svi dobro upoznati s gravitacijom i elektricitetom? To se objašnjava činjenicom da "jaka" interakcija djeluje samo na vrlo malim udaljenostima usporedivim s veličinom atomskih jezgri. Na primjer, zbog "jake" interakcije, protoni i neutroni se drže zajedno unutar atomskih jezgri. Bez njega, protoni bi se razletjeli u različitim smjerovima pod djelovanjem električnih sila odbijanja. A neutroni, koji uopće nemaju električni naboj, jednostavno se nisu mogli zadržati u jezgri.

moguće je doći do otkrića, ali da bi se točno izmjerili parametri novootkrivenih čestica potrebno je još nešto.

To “još uvijek” su upravo sudarači elektron-pozitron. Za razliku od protona, elektroni i pozitroni ne sudjeluju u procesima "jake" interakcije. Njihova interakcija je posljedica elektroslabih procesa. Zbog specifičnosti ovih interakcija, presjeci za proizvodnju nove fizike i pozadine su mali. Zbog toga je elektron-pozitronski sudarač teško koristiti za početno otkriće (iako je moguće). Međutim, ako je otkriće već učinjeno i približno je poznata masa novih čestica, onda. prilagodbom energije sudara elektrona i pozitrona na odgovarajući način, moguće je višestruko povećati vjerojatnost generiranja signalnih događaja, a da pozadine budu male. Tako će elektron-pozitronski sudarač biti dobar dodatak LHC-u.

Elektron-pozitronski sudarači
NA ovaj trenutak postoje dva konkurentska projekta za budući sudarač elektrona i pozitrona. Naziv prvog projekta je International Linear Collider (ILC), o njemu u detalje. Pretpostavlja se da će energija sudara na ovom sudaraču biti 500 GeV na duljini sudarača od 31 km. Projekt uključuje mogućnost povećanja energije sudara na 1 TeV, dok će se duljina sudarača povećati na 50 km. Tehnologija koja bi se trebala koristiti u izgradnji ILC-a dobro je utvrđena. U mnogočemu se oslanja na tehnologiju stvorenu za izgradnju TESLE. Akcelerator TESLA trebao je biti izgrađen na području istraživačkog centra DESY (Hamburg, Njemačka). Po tehničkim karakteristikama sličan je ILC-u. Izgradnja je praktički odobrena i u zadnji čas otkazana zbog financijskih poteškoća. ILC je međunarodni projekt čije zemlje sudionice mogu ponuditi vlastiti teritorij za izgradnju. Rusija je kao sudionica ILC-a ponudila da ga izgradi u Dubni.

Kompaktni linearni sudarač, ili skraćeno CLIC, drugi je od projekata izgradnje elektron-pozitronskog sudarača. Očekivana energija sudara bit će 3 TeV s mogućnošću naknadnog povećanja do 5 TeV. Duljina kompleksa akceleratora bit će 48,3 km. CLIC energija premašuje ILC energiju. Ovo je definitivan plus. Međutim, CLIC tehnologija još nije tako temeljito razvijena kao za ILC. To će trajati barem još nekoliko godina.

Na prvi pogled, energija elektron-pozitronskog sudarača mnogo je manja od energije LHC-a. Međutim, za razliku od elektrona, koji su uistinu elementarne čestice, protoni imaju unutarnju strukturu. Oni se sastoje od kvarkova koje zajedno drži "jaka" sila koju nose gluoni. Kada se protoni sudaraju u sudaraču, zapravo dolazi do sudara između njihovih sastavnih kvarkova i gluona, od kojih svaki nosi samo mali dio ukupne energije protona. Kada se energija tih sudara usporedi s energijom sudarača elektron-pozitron, pokazuje se da su usporedivi.

U svakom slučaju, konačna odluka o potrebi izgradnje elektron-pozitronskog sudarača i odabiru tehnologije bit će donesena tek nakon što se dobiju rezultati u LHC-u.

Zašto linearno?

I zašto bi budući sudarač elektrona i pozitrona trebao biti linearan? Doista, u ovom slučaju gubi se glavna prednost prstenastih akceleratora, u kojima se čestice ubrzavaju mnogo puta, prolazeći kroz iste ubrzavajuće elemente kada se kreću u krugu. Na primjer, ubrzanje protona u LHC-u s energije od 450 GeV na energiju od 7 TeV trebalo bi se izvesti unutar 20 minuta. Za to vrijeme snop protona uspije prevaliti udaljenost od 36∙10 7 km (što je otprilike dvostruko više od udaljenosti od Zemlje do Sunca). Jednostavno je nemoguće izgraditi linearni sudarač ove duljine. Dakle, za izgradnju linearnog sudarača potrebno je značajno povećati brzinu ubrzanja. Unatoč tome, duljina sudarača iznosit će desetke kilometara. Još jedan nedostatak linearnih sudarača je mogućnost instaliranja samo jedne eksperimentalne postavke, budući da postoji samo jedna točka sudara zraka. Na LHC-u, na primjer, postoje 4 takve točke.

Čini se da ako fizičarima stvarno treba sudarač elektrona i pozitrona, zašto ga ne napraviti u obliku prstena? Nažalost, mogućnosti stvaranja prstenastog sudarača elektron-pozitron ograničene su samom prirodom. Kada se nabijene čestice kreću po krugu, nastaje sinkrotronsko zračenje, uslijed čega čestice gube svoju energiju. Ovaj učinak je praktički beznačajan za protone (čak i pri LHC energijama). Međutim, elektroni, čija je masa gotovo 2000 puta manja od mase protona, izgubit će značajan dio svoje energije zbog sinkrotronskog zračenja. Učinak u konstrukciji linearnog sudarača. Mogućnost izgradnje takvog sudarača demonstrirana je na Stanfordu, gdje se nalazi jedini linearni sudarač elektron-pozitron na svijetu.

mionski sudarač
Elektron pripada klasi leptona, skupini čestica koje sudjeluju u elektroslabim interakcijama. Drugi predstavnik ove klase čestica je mion. Ovo je negativno nabijena elementarna čestica, čija je masa 210 puta veća od mase elektrona, što omogućuje da se ne brinete o sinkrotronskom zračenju tijekom ubrzavanja miona u prstenastom akceleratoru. Mion bi bio idealna čestica za ubrzanje da nije kratkog životnog vijeka. To je samo 1,6 µs. Za to vrijeme mioni se moraju ubrzati do relativističkih brzina. To predstavlja ozbiljne tehničke poteškoće. Ozbiljni napori da se razvije tehnologija mionskog sudarača započeli su sredinom 1990-ih. Trenutačno postoji idejni dizajn mionskog sudarača s energijom u rasponu od 1,5-4 TeV. No realizacija ovog projekta najvjerojatnije je stvar dalje budućnosti od izgradnje elektron-pozitronskog sudarača.

Možda će prvi korak prema stvaranju mionskog sudarača biti izgradnja tvornice neutrina.

Neutrino je čestica s iznenađujuće malim presjekom interakcije, koja kao rezultat toga ima ogromnu moć prodora. Na primjer, da bi neutrino udario u željeznu barijeru, veličina te barijere mora biti usporediva s udaljenosti od Sunca do Jupitera. Paul Dirac, znanstvenik koji je prvi teoretski predložio ovu česticu, čak se kladio da ona nikada neće biti pronađena eksperimentalno (stvarno, kako je detektirati ako ni s čim ne stupa u interakciju?). Međutim, izgubio je okladu. Čestica je otkrivena tijekom života znanstvenika. Trenutno se svojstva neutrina aktivno proučavaju. Za to se posebno koriste zrake neutrina. Na prvi pogled djeluje nevjerojatno kako je uopće moguće stvoriti snop neutrina? Kako natjerati čestice koje nemaju električni naboj i izrazito nesklone interakciji s materijom da lete u jednom smjeru? Za to se koriste prethodno ubrzane nabijene čestice (na primjer mioni), koje daju neutrine tijekom raspada. Ako mnogo miona leti u istom smjeru, tada će i rezultirajući neutrini letjeti u istom smjeru. Evo snopa neutrina za vas! Jedina je nevolja što mioni žive iznimno kratko, a tijekom života nemoguće ih je akumulirati u velikom broju. Ili bolje rečeno, nije išlo. Ova praznina je namijenjena popunjavanju projekta tvornice neutrina koji se temelji na stvaranju "skladišnih" mionskih prstenova, što je pak prvi korak prema stvaranju mionskog sudarača.

Sljedeći hadron?
I hoće li biti izgrađen sljedeći hadronski sudarač koji će premašiti energiju LHC-a? Uostalom, prije ili kasnije era preciznih mjerenja (za što je prije svega potreban linearni elektron-pozitronski sudarač) će biti gotova, i ponovno će biti potreban sudarač za proučavanje novih energetskih područja. Takav projekt postoji. Godine 2010. CERN je objavio planove za izgradnju hadronskog sudarača od 35 TeV u LHC tunelu (nakon njegovog zatvaranja).

Tehnološka granica
Svaka sljedeća generacija akceleratora sve je veća i skuplja. Ogromni troškovi i složenost dizajna uvelike su posljedica činjenice da je postojeća tehnologija ubrzanja dosegla svoju granicu. Stoga se velika polja ubrzanja moraju održavati unutar nove generacije linearnih akceleratora. Međutim, kako se jakost polja povećava, dolazi do kvarova unutar ubrzavajućih elemenata, što dovodi do njihovog uništenja. Kako bi se riješio ovaj problem, koriste se posebni dizajni i skupi materijali. Za ILC i CLIC, uz velike poteškoće, bilo je moguće stvoriti gradijente ubrzanja reda veličine 100 MeV/m.

Malo je vjerojatno da se ta vrijednost može znatno povećati. Ovo definira tehnološko ograničenje za linearne sudarače.

U prstenastim sudaračima gradijenti ubrzanja nisu problem, jer se čestice mogu ubrzati mnogo puta u krugu.

Međutim, što je veća energija ubrzanih čestica, teže ih je zadržati na kružnom putu unutar akceleratora. Za to se koriste jaka magnetska polja. U LHC-u, magnetsko polje je 8,33 Tesla. Na sljedećem hadronskom sudaraču, koji se planira nalaziti u LHC tunelu, nakon što LHC završi svoj rad (o tome je bilo riječi malo više), magnetsko polje će biti oko 20 Tesla. To je gotovo granica moderne tehnologije. Drugi način je povećati veličinu prstena za ubrzavanje, kao rezultat toga, zakrivljenost putanje čestica se smanjuje, tako da postaje lakše zadržati ih unutar sudarača. Međutim, s obzirom na to da veličina modernih sudarača već sada iznosi nekoliko desetaka kilometara, njihovo daljnje povećanje čini se vrlo problematičnim i dugotrajnim zadatkom.

Zbog gigantske cijene novih akceleratora, pitanja o njihovoj izgradnji raspravljaju se na nacionalnoj razini. Pa čak i postati adut u pregovaranju u rukama političara. Vrijedno je prisjetiti se, primjerice, projekta SSC (Superconducting Super Collider).

Ovaj hadronski sudarač s energijom snopa 20x20 TeV trebao je biti izgrađen u SAD-u. Da, nije tipfeler! Ukupna energija sudarajućih zraka trebala je biti 40 TeV.

To je gotovo tri puta više od maksimalne energije LHC-a, što će se postići tek nakon rada na dizajnu za poboljšanje sudarača, planiranog za 2012. Duljina prstena za ubrzavanje SSC-a trebala je biti 87,1 km (duljina LHC-a 27 km). Izgradnja je trebala biti završena 1999. godine. Provedba projekta je započela. Prokopano je 22,5 km tunela, potopljeno je 17 mina. Nažalost, projekt je nakon toga zatvoren.

Ne znači li sve ovo kraj akceleratorske fizike? Izgradnja novih kolajdera korištenjem postojećih tehnologija postaje sve skuplja. A za završetak projekata potrebna su desetljeća. Tako se prvi put o izgradnji LHC-a govorilo 1984. godine, a službeno lansiranje sudarača dogodilo se tek krajem 2009. godine. Možda nije daleko dan kada izgradnja novog sudarača više neće biti moguća? Mogući izlaz iz ove situacije je razvoj novih tehnologija.

Plazma akceleratori
Jedna od tehnologija koje najviše obećavaju je metoda ubrzanja plazme. Koja je njegova bit? Kao što je gore navedeno, Moderna tehnologija ubrzanje je gotovo doseglo svoju granicu. Daljnjim povećanjem ubrzavajućih polja dolazi do kvarova i razaranja stijenki ubrzavajućih elemenata. Ali ako je tako, onda možda uopće možete bez zidova? Velika električna polja mogu se stvoriti, na primjer, u plazmi. Plazma je plin sastavljen od pozitivno nabijenih iona i negativno nabijenih elektrona. Plazma je obično električki neutralna, jer su elektroni i ioni ravnomjerno raspoređeni u volumenu plazme. Što ako postoji neki način da ih razdvojimo? Tada se generirana električna polja mogu koristiti za ubrzavanje čestica. Ali kako postići takvu odvojenost?

To se može učiniti pulsnim laserom ili elektronskim snopom.

Hrpa elektrona, koja leti kroz plazmu, gura elektrone plazme na putu.

U ovom slučaju ioni se praktički ne kreću, zbog činjenice da je njihova masa mnogo veća od mase elektrona. Kao rezultat toga, na mjestu kroz koje je elektronski snop upravo prošao vrlo kratko vrijeme nastaje područje ispunjeno pozitivnim nabojem. Odmah iza njega je područje u kojem su se elektroni plazme već vratili na svoja mjesta, zatvarajući se iza propuštene zrake. Na granici između ovih regija (u vrlo veliki volumen) stvaraju ogromna električna polja. Taj se dio kreće za snopom elektrona, a čestica koja uđe u ovaj dio doživjet će konstantno ubrzanje.

Na engleskom se ova tehnologija zove wakefield acceleration, odnosno doslovno "ubrzanje u tragu". Ova analogija nije slučajna. Zamislite surfera koji klizi na dasci na vrhu vala. Ako se radi o prirodnom valu, tada zadovoljstvo surfera ne traje dugo (dok val ne oslabi). Ali što ako se ovaj val stalno hrani? Na primjer, motorni čamac može ići naprijed, stvarajući "struju buđenja" iza sebe. Surfer može jahati na vrhu ovog vala. Pritom mu ne treba niti konop da bi se držao za čamac. Sve što trebate je val.

Opisana ideja nije nova. Prvi put je formuliran u radovima Budkera i Vekslera sredinom 1950-ih. Međutim, dugo vremena nije zatražen zbog velikog broja tehničkih problema i velike rezerve konvencionalne tehnologije ubrzanja. Trenutno se tehnologija ubrzanja plazme aktivno razvija. Potencijal je ogroman! Pokazalo se da gradijenti ubrzanja mogu premašiti 100 GeV/m. To je 1000 puta više od CLIC-a (najsnažnijeg sudarača elektron-pozitron u razvoju). S takvom brzinom ubrzanja, da bi se protoni ubrzali do energije LHC-a, potreban je akcelerator duljine samo 70 metara (umjesto 27 km). Nažalost, nije sve tako jednostavno. A na putu do stvaranja ove vrste sudarača još uvijek treba riješiti ogroman broj tehničkih problema. Da bi se stvoreni snopovi koristili u eksperimentima, potrebno je da energija čestica u snopu ima približno istu vrijednost. Dugo se to nije moglo postići. Pokazalo se da je energija ubrzanih čestica raspršena u iznimno širokom rasponu. Međutim, u posljednjih godina postignut je značajan napredak po ovom pitanju. Drugi problem je skaliranje tehnologije.

Kako održati veliki gradijent ubrzanja na velikim udaljenostima?

Uostalom, u početku su se takve ogromne stope ubrzanja mogle stvoriti na udaljenostima ne većim od nekoliko milimetara. Također je postignut određeni napredak u rješavanju ovog problema. Kako bi se pokazala temeljna mogućnost održavanja velikih gradijenata na relativno velikim udaljenostima, proveden je eksperiment. Na kraju Stanford Linear Collider (SLC), koji ubrzava elektrone do 42 GeV, isporučen je dodatni dio akceleratora temeljen na tehnologiji ubrzanja plazme. Duljina presjeka bila je oko 85 cm, pri čemu se energija elektrona udvostručila (maksimalna energija elektrona bila je 857 GeV). To je još više fantastično jer je za ubrzanje elektrona na 42 GeV potrebno 3 km na samom sudaraču.

Unatoč takvim uspjesima, vjerojatno će trebati nekoliko desetljeća da se stvore multi-TeV sudarači temeljeni na ovoj tehnologiji. Ali mali akceleratori s energijom od oko 1 GeV, koji mogu stati na stol, mogli bi se pojaviti u sljedećih nekoliko godina. Takvi se akceleratori mogu koristiti, primjerice, za stvaranje kompaktnih izvora sinkrotronskog zračenja.

Što drugo?

Govoreći o akceleratorima budućnosti, nažalost, nisam mogao spomenuti mnoge druge projekte čiji cilj nije osvajanje novih energetskih granica, već stvaranje snopova visokog intenziteta za proučavanje rijetkih procesa (primjerice, projekti SuperKEKB ili SuperB). Također nisam spomenuo projekte ionske zrake, poput stvaranja velikog kompleksa akceleratora FAIR, modernizacije akceleratora RHIC ili projekta novog sudarača iona NICA u Dubni. Možda je teško sve nabrojati u kratkom predavanju. Nadamo se da će većina ovih projekata biti realizirana.

Veliki hadronski sudarač nazvan je ili "strojem sudnjeg dana" ili ključem misterija svemira, ali njegov značaj je neporeciv.

Kao što je slavni britanski mislilac Bertrand Russell jednom rekao: "- ovo je ono što znate, filozofija je ono što ne znate." Čini se da je to istina znanstveno znanje davno odvojena od svojih ishodišta, koja se nalaze u filozofskim istraživanjima Drevna grčka, ali nije tako.

Cijelo dvadeseto stoljeće znanstvenici su u znanosti pokušavali pronaći odgovor na pitanje o strukturi svijeta. Taj je proces bio sličan potrazi za smislom života: ogroman broj teorija, pretpostavki, pa čak i ludih ideja. Do kojih su zaključaka znanstvenici došli početkom 21. stoljeća?

Cijeli svijet je sastavljen od elementarne čestice, koji su konačni oblici svega postojećeg, odnosno onoga što se ne može cijepati na manje elemente. To uključuje protone, elektrone, neutrone i tako dalje. Te su čestice u stalnoj međusobnoj interakciji. Početkom našeg stoljeća izražavao se u 4 temeljna tipa: gravitacijski, elektromagnetski, jaki i slabi. Prvi je opisan Općom teorijom relativnosti, ostala tri su spojena u okviru Standardnog modela (kvantna teorija). Također je sugerirano da postoji još jedna interakcija, kasnije nazvana "Higgsovo polje".

Postupno se pojavila ideja kombiniranja svih temeljnih interakcija u okviru " teorija svega", koji je u početku shvaćen kao šala, ali je brzo prerastao u moćnu znanstveni smjer. Zašto je ovo potrebno? Sve je jednostavno! Bez razumijevanja kako svijet funkcionira, mi smo poput mrava u umjetnom gnijezdu - nećemo prijeći svoje granice. Ljudsko znanje ne može (pa, ili Pozdrav ne može, ako ste optimist) obuhvatiti strukturu svijeta u cijelosti.

Razmatra se jedna od najpoznatijih teorija koja tvrdi da "obuhvaća sve". teorija struna. To implicira da su cijeli Svemir i naši životi višedimenzionalni. Unatoč razvijenom teoretskom dijelu i potpori poznatih fizičara poput Briana Greenea i Stephena Hawkinga, nema eksperimentalne potvrde.

Znanstvenicima je, desetljećima kasnije, dosta prijenosa s tribina i odlučili su izgraditi nešto što bi jednom zauvijek trebalo staviti točku na i. Za to je stvoreno najveće eksperimentalno postrojenje na svijetu - Veliki hadronski sudarač (LHC).

"U kolajder!"

Što je sudarač? U znanstvenom smislu, ovo je akcelerator nabijenih čestica dizajniran za ubrzavanje elementarnih čestica kako bi se bolje razumjela njihova interakcija. Laički rečeno, to je velika arena (ili sandbox, ako želite) u kojoj se znanstvenici bore kako bi dokazali svoje teorije.

Prvi put na ideju da se elementarne čestice sudare i vidi što se događa došao je američki fizičar Donald William Kerst 1956. godine. Sugerirao je da će zahvaljujući tome znanstvenici moći prodrijeti u tajne svemira. Čini se da je što loše u guranju dva snopa protona zajedno s ukupnom energijom milijun puta većom od termonuklearne fuzije? Vremena su bila prikladna: hladni rat, utrka u naoružanju i sve to.

Povijest stvaranja LHC-a

Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)

Ideja o stvaranju akceleratora za dobivanje i proučavanje nabijenih čestica pojavila se ranih 1920-ih, ali prvi prototipovi stvoreni su tek početkom 1930-ih. U početku su to bili visokonaponski linearni akceleratori, odnosno nabijene čestice koje su se kretale pravocrtno. Verzija s prstenom predstavljena je 1931. u SAD-u, nakon čega su se slični uređaji počeli pojavljivati ​​u nizu razvijenih zemalja - Velikoj Britaniji, Švicarskoj i SSSR-u. Dobili su ime ciklotroni, a kasnije se počeo aktivno koristiti za stvaranje nuklearnog oružja.

Treba napomenuti da je cijena izgradnje akceleratora čestica nevjerojatno visoka. Europa, koja je tijekom Hladnog rata igrala neglavnu ulogu, naručila je njegovu izradu Europska organizacija za nuklearna istraživanja (na ruskom se često čita CERN), koji je kasnije preuzeo izgradnju LHC-a.

CERN je nastao kao posljedica zabrinutosti svjetske zajednice zbog nuklearnih istraživanja u SAD-u i SSSR-u, koja bi mogla dovesti do općeg istrebljenja. Stoga su znanstvenici odlučili udružiti snage i usmjeriti ih u mirnom smjeru. Godine 1954. CERN je službeno rođen.

Godine 1983. pod pokroviteljstvom CERN-a otkriveni su W i Z bozoni, nakon čega je pitanje otkrića Higgsovih bozona postalo samo pitanje vremena. Iste godine započeli su radovi na izgradnji Large Electron-Positron Collider (LEPC), koji je odigrao ključnu ulogu u proučavanju otkrivenih bozona. Međutim, već tada je postalo jasno da će kapacitet stvorenog uređaja uskoro biti nedostatan. A 1984. godine odlučeno je izgraditi LHC, odmah nakon što je BEPC rastavljen. To se dogodilo 2000. godine.

Izgradnja LHC-a, koja je započela 2001. godine, bila je olakšana činjenicom da se odvijala na mjestu bivšeg BEPK-a, u dolini Ženevskog jezera. U vezi s pitanjima financiranja (1995. trošak je procijenjen na 2,6 milijardi švicarskih franaka, do 2001. premašio je 4,6 milijardi, 2009. iznosio je 6 milijardi dolara).

Na ovaj trenutak LHC se nalazi u tunelu s opsegom od 26,7 km i prolazi kroz teritorije dvije europske zemlje odjednom - Francuske i Švicarske. Dubina tunela varira od 50 do 175 metara. Također treba napomenuti da energija sudara protona u akceleratoru doseže 14 teraelektronvolta, što je 20 puta više od rezultata postignutih korištenjem BEPC-a.

"Radoznalost nije porok, već velika gadost"

27 km dugačak tunel CERN-ovog sudarača nalazi se 100 metara pod zemljom u blizini Ženeve. Ovdje će biti smješteni ogromni supravodljivi elektromagneti. Desno su transportna kola. Juhanson/wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Zašto je potreban ovaj "stroj sudnjeg dana" koji je napravio čovjek? Znanstvenici očekuju da će vidjeti svijet kakav je bio neposredno nakon Velikog praska, odnosno u vrijeme nastanka materije.

Ciljevi, koje su si znanstvenici zadali tijekom izgradnje LHC-a:

1. Potvrda ili opovrgavanje Standardnog modela u svrhu daljnjeg stvaranja "teorije svega".
2. Dokaz postojanja Higgsovog bozona kao čestice pete temeljne interakcije. Ona bi, prema teoretskim istraživanjima, trebala utjecati na električne i slabe interakcije, narušavajući njihovu simetriju.
3. Proučavanje kvarkova, koji su temeljne čestice, koje su 20 tisuća puta manje od protona koji se od njih sastoje.
4. Dobivanje i proučavanje tamne tvari, koja čini većinu svemira.

Ovo nisu jedini ciljevi koje znanstvenici postavljaju LHC-u, ali ostali su više povezani ili čisto teoretski.

Što je postignuto?

Bez sumnje najveće i najznačajnije postignuće bila je službena potvrda postojanja Higgsov bozon. Otkriće pete interakcije (Higgsovo polje) koja, prema znanstvenicima, utječe na stjecanje mase svih elementarnih čestica. Vjeruje se da kada se simetrija naruši tijekom djelovanja Higgsovog polja na druga polja, W i Z bozoni postaju masivni. Otkriće Higgsovog bozona toliko je značajno po svom značaju da im je niz znanstvenika dalo naziv "božanske čestice".

Kvarkovi se spajaju u čestice (protone, neutrone i druge), koje se nazivaju hadroni. Oni su ti koji ubrzavaju i sudaraju se u LHC-u, otuda i njegovo ime. Tijekom rada sudarača dokazano je da je jednostavno nemoguće izolirati kvark od hadrona. Ako pokušate to učiniti, jednostavno ćete izvući drugu vrstu elementarne čestice iz, na primjer, protona - mezon. Unatoč činjenici da je ovo samo jedan od hadrona i ne nosi ništa novo u sebi, daljnje proučavanje interakcije kvarkova treba provoditi upravo malim koracima. U istraživanju temeljnih zakona funkcioniranja Svemira žurba je opasna.

Iako sami kvarkovi nisu otkriveni tijekom korištenja LHC-a, njihovo postojanje se do određenog trenutka doživljavalo kao matematička apstrakcija. Prve takve čestice pronađene su 1968. godine, ali je tek 1995. godine službeno dokazano postojanje “pravog kvarka”. Rezultati pokusa potvrđuju se mogućnošću njihove reprodukcije. Stoga se postizanje sličnog rezultata od strane LHC-a ne doživljava kao ponavljanje, već kao konsolidirajući dokaz njihovog postojanja! Iako problem sa stvarnošću kvarkova nije nigdje nestao, jer su jednostavno ne može se izdvojiti od hadrona.

Kakvi su planovi?

Hans G / flickr.com (CC BY-SA 2.0)

Glavni zadatak stvaranja "teorije svega" nije riješen, ali je u tijeku teoretsko proučavanje mogućih opcija njezine manifestacije. Do sada ostaje jedan od problema objedinjavanja Opće teorije relativnosti i Standardnog modela različito područje njihove radnje, u vezi s kojima drugi ne uzima u obzir značajke prvog. Stoga je važno ići dalje od standardnog modela i doći do ruba nova fizika.

supersimetrija - znanstvenici vjeruju da povezuje bozonska i fermionska kvantna polja, toliko da se mogu pretvoriti jedno u drugo. Ova vrsta pretvorbe nadilazi opseg standardnog modela, jer postoji teorija da se simetrično preslikavanje kvantnih polja temelji na gravitoni. Oni, odnosno, mogu biti elementarne čestice gravitacije.

Boson Madala- hipoteza o postojanju Madala bozona sugerira da postoji još jedno polje. Samo ako Higgsov bozon stupa u interakciju s poznatim česticama i materijom, tada Madala bozon stupa u interakciju s tamna tvar. Unatoč činjenici da zauzima veliki dio Svemira, njegovo postojanje nije uključeno u okvir Standardnog modela.

Mikroskopska crna rupa jedno od istraživanja LHC-a je stvaranje crne rupe. Da, da, baš to crno, sveproždiruće područje u svemiru. Na sreću, u tom smjeru nije postignut značajniji napredak.

Danas je Large Hadron Collider višenamjenski istraživački centar, na temelju kojeg se stvaraju i eksperimentalno potvrđuju teorije koje će nam pomoći da bolje razumijemo strukturu svijeta. Često se dižu valovi kritika oko niza tekućih studija koje se nazivaju opasnima, uključujući i Stephena Hawkinga, ali igra je definitivno vrijedna svijeća. Nećemo moći ploviti crnim oceanom zvanim Svemir s kapetanom koji nema karte, nema kompas, nema osnovno znanje o svijetu oko nas.

Ako pronađete grešku, označite dio teksta i kliknite Ctrl+Enter.

Za razliku od svojih kolega iz biologije (koji mogu naručiti glodavce, anelide ili pijavice online), fizičari moraju stvoriti svoje vlastite test subjekte.

Kada fizičari trebaju čestice za akceleratore, dolaze na našu stranicu i ostavljaju oglase u komentarima, nudeći poslove za slobodne čestice. Ponekad trebaju čestice s pozitivnim stavom, ponekad neutralnije. Fizičari zatim pozovu česticu na spoj, i ako sve bude u redu, ponuditi joj sudjelovanje u procesu ubrzanja. Tako je nastao Higgsov bozon.

Ako. Za razliku od svojih kolega iz biologije (koji mogu naručiti glodavce, anelide ili pijavice online), fizičari moraju stvoriti svoje vlastite test subjekte. Nije lako dobiti dovoljno čestica za brzi sudar u Velikom hadronskom sudaraču.

Prije nego ih stavimo u akcelerator čestica, shvatimo zašto to moramo učiniti. Što su akceleratori i zašto ne možemo ubrzati nešto značajnije od čestica?

Najpoznatiji akcelerator čestica je Large Hadron Collider, 27-kilometarsko kružno čudovište zakopano pod zemljom. Smješten u Švicarskoj, LHC djeluje pod Europskom organizacijom za nuklearna istraživanja, zvanom CERN (akronim ima smisla ako znate kako se piše na francuskom). LHC je postao prilično popularan 2012. godine, kada su sudari čestica rasvijetlili tragove Higgsovog bozona, za koji je ovaj akcelerator zapravo i napravljen. Otkriće Higgsovog bozona omogućilo je fizičarima da s više sigurnosti govore o Higgsovom polju, kao io tome kako materija u svemiru stječe masu.

No, ako je LHC superzvijezda u svijetu akceleratora, postoje mnogi drugi manje poznati studiji koji prave vlastite ploče. Općenito, u svijetu postoji oko 30.000 akceleratora i možda im treba zahvaliti za najpraktičnije izume. I to nisu samo riječi. Znanstvenici koji su željeli proučavati superupijajuće polimere koji se koriste u jednokratnim pelenama naišli su na probleme proučavajući ih kada su mokre, pa su se - ta-da - okrenuli rendgenskoj mikroskopiji (koja koristi akceleraciju čestica). Budući da su mogli identificirati i proučavati strukturu molekularnih lanaca, znanstvenici su uspjeli ispravno formulirati pravu formulu, održavajući moderne pelene suhima i zahvaljujući akceleratorima čestica.

Osim toga, akceleratori se dobro koriste u medicinskom okruženju, posebice - u proučavanju načina liječenja raka. Linearni akceleratori (kada se čestice sudaraju s metom u ravnoj liniji) ispaljuju elektrone na metalnu metu, što rezultira visokopreciznim, visokoenergetskim X-zrakama koje mogu liječiti tumore. I, naravno, bez akceleratora u teoretskoj fizici elementarnih čestica, nigdje - svaka teorija treba praksu. Sada kada znamo nešto o tome za što se koriste boosteri, razgovarajmo o tome čime ih hraniti.

Kao što smo rekli gore, znanstvenici CERN-a proizvode čestice za sebe. To se može usporediti s činjenicom da računovođa sastavlja vlastiti kalkulator. Ali za fiziku čestica to nije problem. Sve što znanstvenici moraju učiniti je započeti s vodikom, izbaciti elektrone duoplazmatronom i ostati sami s protonima. Zvuči jednostavno, ali zapravo je teže. U svakom slučaju, nije tako lako onima koji ne dobiju rođendanske čestitke od Stephena Hawkinga.

Vodik je plin koji ulazi u prvi stupanj akceleratora čestica, duoplazmatrona. Duoplazmatron je vrlo jednostavan uređaj. Atomi vodika imaju jedan elektron i jedan proton. U duoplazmatronu se atom vodika oslobađa elektrona pomoću električnog polja. Ono što ostaje je plazma protona, elektrona i molekularnih iona koji prolaze kroz nekoliko mreža filtera, ostavljajući samo protone.

LHC ne koristi samo protone za rutinske zadatke. Fizičari CERN-a također razbijaju ione olova kako bi proučavali kvark-gluonsku plazmu, koja nas nejasno podsjeća na to kakav je svemir bio davno. Guranjem iona teških metala zajedno (radi i sa zlatom), znanstvenici mogu na trenutak stvoriti kvark-gluonsku plazmu.

Već ste dovoljno prosvijetljeni da shvatite da se ioni olova ne pojavljuju magično u akceleratoru čestica. Evo kako se to događa: fizičar iz CERN-a počinje skupljati ione olova iz čvrstog olova-208, posebnog izotopa elementa. Čvrsto olovo se zagrijava do pare - do 800 stupnjeva Celzijusa. Zatim su ga pretukli elektro šok, koji ionizira uzorak za stvaranje plazme. Novostvoreni ioni (atomi s električnim nabojem koji su dobili ili izgubili elektrone) skupljaju se u linearnom akceleratoru koji im daje ubrzanje, što dovodi do još većeg gubitka elektrona. Zatim još više odlutaju i ubrzaju - i ioni olova spremni su slijediti putanju protona i srušiti se u utrobi Velikog hadronskog sudarača.

Veliki hadronski sudarač, najjači akcelerator čestica na svijetu, koji se testira u Europskoj organizaciji za nuklearna istraživanja (CERN), bio je predmetom sudskog spora i prije lansiranja. Tko je i zašto tužio znanstvenike?

Ne osuđujte Veliki hadronski sudarač... Stanovnici savezne države Hawaii Walter Wagner i Luis Sancho podnijeli su tužbu protiv CERN-a na saveznom okružnom sudu u Honoluluu, kao i američkih sudionika u projektu - Ministarstva energetike, Nacionalne znanstvene zaklade i Nacionalnog akceleratorskog laboratorija Fermi, zbog ovog razloga.

⦳⦳⦳⦳⦳

Amerikanci su se bojali da će se sudari subatomskih čestica ogromne energije koji će se izvoditi u akceleratoru simulirati događaje koji su se dogodili u svemiru u prvim trenucima nakon Velikog praska, mogu stvarati objekte prijeteći postojanju zemlje.

Veliki hadronski sudarač u CERN-u. U kutiji - simulacija procesa proizvodnje Higgsovog bozona u CMS detektoru

Opasnost, prema tužiteljima, prvenstveno predstavljaju tzv. crne rupe - fizički objekti koji mogu apsorbirati neke od objekata na našem planetu - na primjer, neki veliki grad.

Unatoč činjenici da je tužba podnesena sudu početkom travnja 2008., stručnjaci je uopće nisu tretirali kao prvotravanjsku šalu.

I dogovorili su dan 6. travnja u Centru za nuklearna istraživanja otvorena vrata, pozivajući građanstvo, novinare, studente i učenike u obilazak akceleratora, kako bi ne samo vlastitim očima vidjeli jedinstveni znanstveni instrument, već i dobili iscrpne odgovore na sva svoja pitanja.

Prije svega, naravno, organizatori projekta pokušali su uvjeriti posjetitelje da LHC nikako ne može biti krivac za “smak svijeta”.

Da, sudarač koji se nalazi u prstenastom tunelu s opsegom od 27 km (od engleskog collide - "sudarati") sposoban je ubrzati protonske zrake i sudarati ih s energijama do 14 teraelektronvolta 40 milijuna puta u sekundi.

Fizičari vjeruju da će u tom slučaju biti moguće rekreirati uvjete koji su nastali trilijunti dio sekunde nakon Velikog praska i tako dobiti vrijedne informacije o samom početku postojanja svemira.

Veliki hadronski sudarač i crna rupa

No glede činjenice da će to stvoriti crnu rupu ili se to uopće ne zna, predstavnik CERN-a James Gills izrazio je velike sumnje. I to ne samo zato što sigurnosnu procjenu sudarača neprestano provode teoretičari, već se temelji jednostavno na praksi.

“Važan argument da su CERN-ovi eksperimenti sigurni jest samo postojanje Zemlje”, rekao je.

“Naš je planet stalno izložen tokovima kozmičkog zračenja, čija energija nije inferiorna, a često i premašuje onu u Cernu, te još nije uništena crnom rupom ili drugim uzrocima.

U međuvremenu, kako smo izračunali, priroda je tijekom postojanja Svemira dovršila najmanje 1031 program sličan ovome koji mi upravo namjeravamo provesti.

On ne vidi posebnu opasnost u mogućnosti nekontrolirane anihilacijske reakcije s antičesticama, koja će nastati kao rezultat pokusa.

“Antimaterija se doista proizvodi u CERN-u,– potvrdio je znanstvenik u intervjuu za časopis New Scientist.

“Međutim, one njegove mrvice koje se mogu umjetno stvoriti na Zemlji ne bi bile dovoljne ni za najmanju bombu.

Izuzetno je teško skladištiti i akumulirati antimateriju (a neke njezine vrste uopće nemoguće)"...

Veliki hadronski sudarač i bozon

Potraga za bozonom. Usput, isti je časopis napisao da ruski stručnjaci - profesorica Irina Arefyeva i doktor fizikalnih i matematičkih znanosti Igor Volovich s Matematičkog instituta Steklov u Moskvi - vjeruju da bi veliki eksperiment u CERN-u mogao dovesti do pojave prvog . .. vremeplov u svijetu.

Zamolio sam profesoricu Irinu Jaroslavovnu Arefjevu da komentira ovu poruku. A evo što je rekla:

“Još uvijek znamo dosta o strukturi svijeta oko nas. Zapamtite, stari Grci su vjerovali da su svi objekti sastavljeni od atoma, što na grčkom znači "nedjeljivo".

Međutim, s vremenom se pokazalo da sami atomi imaju prilično složenu strukturu, koja se sastoji od elektrona, protona i neutrona. U prvoj polovici 20. stoljeća iznenada se pokazalo da se isti elektroni s protonima i neutronima, pak, mogu podijeliti na više čestica.

Isprva su ih bezobzirno nazivali elementarima. Međutim, sada se pokazalo da se mnoge od tih takozvanih elementarnih čestica mogu, zauzvrat, dijeliti ...

Općenito, kada su teoretičari sva stečena znanja pokušali staviti u okvire tzv. Standardnog modela, pokazalo se da su, prema nekim izvorima, Higgsovi bozoni njegova središnja karika.”

Tajanstvena čestica dobila je ime po profesoru Peteru Higgsu sa Sveučilišta u Edinburghu. Za razliku od profesora Higginsa iz poznatog mjuzikla, on se nije bavio podučavanjem pravilnog izgovora zgodnih djevojaka, već učenjem zakona mikrosvijeta.

A još 60-ih godina prošlog stoljeća iznio je sljedeću pretpostavku: “Svemir uopće nije prazan, kako nam se čini.

Njegov cijeli prostor ispunjen je nekom vrstom viskozne tvari, kroz koju se, na primjer, provodi gravitacijska interakcija između nebeskih tijela, počevši od čestica, atoma i molekula pa sve do planeta, zvijezda i galaksija.

Govoreći vrlo jednostavno, P. Higgs je predložio povratak na ideju "svjetska emisija" koji je jednom bio odbijen. Ali kako fizičari, kao i drugi ljudi, ne vole priznati svoje pogreške, nova-stara tvar sada se zove "Higgsovo polje".

A sada se vjeruje da upravo to polje sile daje masu nuklearnim česticama. A njihovo međusobno privlačenje osigurava nositelj gravitacije koji se prvotno zvao graviton, a sada Higgsov bozon.

Godine 2000. fizičari su mislili da su konačno "uhvatili" Higgsov bozon. Međutim, niz eksperimenata poduzetih da bi se testirao prvi eksperiment pokazao je da je bozon ponovno izmaknuo. Ipak, mnogi su znanstvenici sigurni da čestica još uvijek postoji.

A da biste ga uhvatili, samo trebate izgraditi pouzdanije zamke, stvoriti još snažnije akceleratore. Jedan od najgrandioznijih instrumenata čovječanstva izgrađen je zajedničkim snagama u CERN-u kraj Ženeve.

No, oni hvataju Higgsov bozon ne samo kako bi bili sigurni da su predviđanja znanstvenika točna, već kako bi pronašli drugog kandidata za ulogu "prve cigle svemira".

« Postoje, posebice, egzotične pretpostavke o strukturi svemira,

- nastavila je svoju priču profesorica I.Ya. Arefieva.

– Tradicionalna teorija kaže da živimo u četverodimenzionalnom svijetu

- tri prostorne koordinate plus vrijeme.

Teorija mjerenja Velikog hadronskog sudarača

Ali postoje hipoteze koje sugeriraju da zapravo postoji više dimenzija - šest ili deset, ili čak i više. U ovim mjerenjima gravitacijska sila može biti znatno veća od uobičajenog g.

A gravitacija, prema Einsteinovim jednadžbama, može utjecati na protok vremena. Stoga hipoteza o "Vremeplov". Ali ako i postoji, to je vrlo kratko i u vrlo malom obimu.

Jednako egzotična, po mišljenju Irine Yaroslavovne, je hipoteza o nastanku u sudaru sudarajućih se zraka minijaturne crne rupe. Čak i ako se formiraju, njihov životni vijek bit će toliko zanemariv da će ih biti iznimno teško jednostavno otkriti.

Osim posrednim znakovima, na primjer, Hawkingovim rendgenskim zračenjem, a i tada tek nakon što sama rupa nestane.

Jednom riječju, reakcije će se, prema nekim proračunima, odvijati u volumenu od samo 10-20 kubnih metara. cm i tako brzo da se eksperimentatori moraju naprezati kako bi postavili prave senzore na prava mjesta, dobili podatke i zatim ih interpretirali u skladu s tim.

Nastavit će se… Od vremena kada je profesorica Arefieva izgovorila gornje riječi, prošlo je skoro pet godina do trenutka kada su ovi redovi napisani.

Tijekom tog vremena dogodilo se ne samo prvo probno lansiranje LHC-a, već i nekoliko sljedećih. Kao što i sami znate, svi su preživjeli i ništa se strašno nije dogodilo. Radovi se nastavljaju...

Znanstvenici se samo žale da im je vrlo teško pratiti ispravnost cjelokupne opreme ove jedinstvene znanstvene instalacije. Međutim, oni već sanjaju o izgradnji sljedeće generacije divovskog akceleratora čestica, International Linear Collider (ILC).

CERN, Švicarska. Lipanj 2013.

U svakom slučaju, evo što o tome piše Barry Barish, profesor emeritus na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, koji vodi dizajn Međunarodnog linearnog sudarača, i njegovi kolege

– Nicholas Walker Walker, specijalist za fiziku akceleratora iz Hamburga i Hitoshi Yamamoto, profesor fizike na Sveučilištu Tohoku u Japanu.

Veliki hadronski sudarač budućnosti

"Dizajneri ILC-a već su odredili glavne parametre budućeg sudarača", izvještavaju znanstvenici.

- Dužina mu je cca. 31 km; glavni dio će zauzimati dva supravodljiva linearna akceleratora, koji će omogućiti sudare elektron-pozitron s energijom od 500 GeV.

Pet puta u sekundi, ILC će generirati, ubrzati i sudariti gotovo 3000 skupina elektrona i pozitrona u impulsu od 1 ms, što odgovara snazi ​​od 10 MW za svaki snop.

Učinkovitost postrojenja bit će oko 20%, dakle, ukupna snaga koju će ILC trebati za ubrzavanje čestica bit će gotovo 100 MW.”

Da bi se stvorio elektronski snop, meta od galijevog arsenida bit će ozračena laserom; u ovom slučaju, u svakom impulsu, milijarde elektrona će biti izbačene iz njega.

Ti će elektroni odmah biti ubrzani do 5 GeV u kratkom linearnom supravodljivom akceleratoru, a zatim ubrizgani u skladišni prsten od 6,7 km koji se nalazi u središtu kompleksa.

Krećući se u prstenu, elektroni će generirati sinkrotronsko zračenje, a snopovi će se smanjiti, što će povećati gustoću naboja i intenzitet snopa.

Usred puta, pri 150 MeV, snopovi elektrona bit će lagano otklonjeni i poslani u poseban magnet, tzv. ondulator, gdje će se dio njihove energije pretvoriti u gama zračenje.

Fotoni gama zraka pogodit će metu od legure titana koja se okreće brzinom od oko 1000 okretaja u minuti.

U tom slučaju nastaju mnogi parovi elektron-pozitron. Pozitroni će biti uhvaćeni, ubrzani na 5 GeV, nakon čega će pasti u još jedan stezni prsten i, konačno, u drugi glavni linearni supravodljivi akcelerator na suprotnom kraju LS-a.

Kada energija elektrona i pozitrona dosegne konačnu vrijednost od 250 GeV, oni će pohrliti do točke sudara. Nakon sudara, produkti reakcije bit će poslani u zamke, gdje će biti fiksirani.

Video Velikog hadronskog sudarača

AKCELERATOR ČESTICA
instalacija u kojoj se uz pomoć električnog i magnetskog polja dobivaju usmjereni snopovi elektrona, protona, iona i drugih nabijenih čestica s energijom mnogo većom od toplinske. U procesu ubrzanja povećavaju se brzine čestica, često do vrijednosti bliskih brzini svjetlosti. Danas se brojni mali akceleratori koriste u medicini (terapija zračenjem), ali iu industriji (primjerice, za implantaciju iona u poluvodiče). Veliki akceleratori koriste se uglavnom u znanstvene svrhe – za proučavanje subnuklearnih procesa i svojstava elementarnih čestica.
(vidi također ELEMENTARNE ČESTICE). Prema kvantnoj mehanici, zraku čestica, kao i svjetlosnu zraku, karakterizira određena valna duljina. Što je veća energija čestica, to je valna duljina kraća. A što je valna duljina kraća, to su objekti koji se mogu istraživati ​​manji, ali više veličina akceleratorima i što su teži. Razvoj istraživanja mikrokozmosa zahtijevao je sve veću energiju sondirajuće zrake. Prvi izvori visokoenergetskog zračenja bile su prirodne radioaktivne tvari. Ali oni su istraživačima dali samo ograničen skup čestica, intenziteta i energija. U 1930-ima znanstvenici su počeli raditi na instalacijama koje su mogle proizvesti raznolikije zrake. Trenutno postoje akceleratori koji omogućuju dobivanje bilo koje vrste visokoenergetskog zračenja. Ako je potrebno, na primjer, rendgensko ili gama zračenje, tada se ubrzavaju elektroni, koji zatim emitiraju fotone u procesima kočnog ili sinkrotronskog zračenja. Neutroni se stvaraju bombardiranjem pogodne mete intenzivnim snopom protona ili deuterona. Energija nuklearnih čestica mjeri se u elektronvoltima (eV). Elektronvolt je energija koju dobiva nabijena čestica, noseći jedan elementarni naboj (naboj elektrona), kada se kreće u električnom polju između dvije točke s potencijalnom razlikom od 1 V. (AKCELERATOR ČESTICA 1 eV 1,60219 * 10-19 J. ) Akceleratori omogućuju dobivanje energija u rasponu od tisuća do nekoliko trilijuna (10 12) elektron volti - na najvećem akceleratoru na svijetu. Za otkrivanje rijetkih procesa u eksperimentu potrebno je povećati omjer signala i šuma. To zahtijeva sve više i više intenzivnih izvora zračenja. Prednji rub Moderna tehnologija akceleratorima određuju dva glavna parametra - energija i intenzitet snopa čestica. U suvremenim akceleratorima koriste se brojne i različite vrste tehnologije: visokofrekventni generatori, brza elektronika i sustavi automatskog upravljanja, složeni dijagnostički i upravljački uređaji, oprema za ultra visoki vakuum, snažni precizni magneti (i "konvencionalni" i kriogeni) i složeni sustavi podešavanja i pričvršćivanja.
OSNOVNI PRINCIPI
Osnovna shema ubrzanja čestica uključuje tri stupnja:
1) formiranje i injektiranje snopa, 2) ubrzanje snopa i 3) izvlačenje snopa na metu ili sudar sudarajućih snopova u samom akceleratoru.
Formiranje i injektiranje snopa. Početni element svakog akceleratora je injektor koji ima izvor usmjerenog toka niskoenergetskih čestica (elektrona, protona ili drugih iona) te visokonaponske elektrode i magnete koji iz izvora izvlače snop i formiraju ga. U izvorima protona prvih akceleratora plinoviti vodik propuštao se kroz područje električnog izboja ili u blizini užarene niti. U takvim uvjetima atomi vodika gube svoje elektrone i ostaju samo jezgre – protoni. Ova se metoda (i slična s drugim plinovima) u poboljšanom obliku još uvijek koristi za dobivanje snopova protona (i teških iona). Izvor formira snop čestica, koji je karakteriziran prosječnom početnom energijom, strujom snopa, njegovim poprečnim dimenzijama i prosječnom kutnom divergencijom. Indikator kvalitete ubrizganog snopa je njegova emisija, tj. umnožak radijusa snopa i njegove kutne divergencije. Što je manja emisija, veća je kvaliteta konačnog snopa čestica visoke energije. Po analogiji s optikom, čestična struja podijeljena s emitancijom (koja odgovara gustoći čestice podijeljenom s kutnom divergencijom) naziva se svjetlinom snopa. Mnoge primjene modernih akceleratora zahtijevaju najveću moguću svjetlinu snopa.
Ubrzanje snopa. Snop se formira u komorama ili se ubrizgava u jednu ili više komora akceleratora, u kojima električno polje povećava brzinu, a time i energiju čestica. U prvim, najjednostavnijim akceleratorima, energija čestica se povećavala u jakom elektrostatskom polju stvorenom unutar visokovakuumske komore. Maksimalna energija koja se u ovom slučaju može postići određena je dielektričnom čvrstoćom izolatora akceleratora. U mnogim suvremenim akceleratorima još uvijek se kao injektori koriste elektrostatički akceleratori elektrona i iona (do iona urana) s energijama od 30 keV do 1 MeV. Postizanje visokog napona i danas je težak tehnički problem. Može se dobiti punjenjem grupe paralelno spojenih kondenzatora i njihovim serijskim spajanjem na niz cijevi za ubrzavanje. Na taj su način 1932. J. Cockcroft i E. Walton dobili napone do 1 MV. Značajan praktični nedostatak ove metode je što se na vanjskim elementima sustava primjenjuje visoki napon, što je opasno za eksperimentatore. Drugi način dobivanja visokog napona izumio je 1931. R. Van de Graaf. U Van de Graaffovom generatoru (slika 1), dielektrična vrpca prenosi električne naboje s izvora napona na potencijalu zemlje na elektrodu visokog napona, povećavajući tako njezin potencijal u odnosu na zemlju. Jednostupanjski Van de Graaffov generator omogućuje postizanje napona do 10 MV. Na višestupanjskim visokonaponskim akceleratorima proizvedeni su protoni s energijama do 30 MeV.

Ako nije potreban kontinuirani snop, već kratki puls visokoenergetskih čestica, tada se može iskoristiti činjenica da za kratko vrijeme (manje od mikrosekunde) izolatori mogu izdržati mnogo veće napone. Preklopne diode omogućuju vam da dobijete napone do 15 MV po stupnju u krugovima s vrlo niskom impedancijom. Time je moguće dobiti struju snopa od nekoliko desetaka kiloampera, a ne od desetaka miliampera, kao u elektrostatskim akceleratorima. Uobičajeni način za dobivanje visokog napona temelji se na Marxovom krugu generatora impulsa, u kojem se baterija kondenzatora prvo paralelno puni, a zatim spaja u seriju i prazni nakon jednog pražnjenja. Visokonaponski impuls generatora ulazi u dugačku liniju, koja formira impuls, postavljajući njegovo vrijeme porasta. Linija je opterećena elektrodama koje ubrzavaju zraku. Pri visokofrekventnom ubrzavajućem naponu, dizajn akceleratora podnosi mnogo jača električna polja bez proboja nego pri konstantnom naponu. Međutim, korištenje visokofrekventnih polja za ubrzavanje čestica je otežano činjenicom da se predznak polja brzo mijenja i ispada da se polje ili ubrzava ili usporava. U kasnim 1920-ima predložene su dvije metode za prevladavanje ove poteškoće, koje se danas koriste u većini akceleratora.
LINEARNI AKCELERATORI
Mogućnost korištenja visokofrekventnih električnih polja u dugim višestupanjskim akceleratorima temelji se na činjenici da takvo polje varira ne samo u vremenu, već iu prostoru. U svakom se trenutku jakost polja mijenja sinusoidalno ovisno o položaju u prostoru, tj. raspodjela polja u prostoru ima oblik vala. I u bilo kojoj točki prostora, mijenja se sinusoidno u vremenu. Stoga se maksimumi polja kreću u prostoru tzv. faznom brzinom. Posljedično, čestice se mogu kretati na način da ih lokalno polje cijelo vrijeme ubrzava. U sustavima linearnih akceleratora, visokofrekventna polja su prvi put korištena 1929. godine, kada je norveški inženjer R. Wideröe ubrzao ione u kratkom sustavu spregnutih visokofrekventnih rezonatora. Ako su rezonatori konstruirani tako da je fazna brzina polja uvijek jednaka brzini čestica, tada se zraka kontinuirano ubrzava tijekom svog gibanja u akceleratoru. Kretanje čestica u ovom je slučaju slično klizanju surfera na vrhu vala. U tom slučaju, brzine protona ili iona u procesu ubrzanja mogu se jako povećati. U skladu s tim, fazna brzina vala vphase također bi se trebala povećati. Ako se elektroni mogu ubrizgati u akcelerator brzinom bliskom brzini svjetlosti c, tada je u tom režimu fazna brzina gotovo konstantna: vphase = c. Drugi pristup koji omogućuje eliminiranje utjecaja faze usporavanja visokofrekventnog električnog polja temelji se na upotrebi metalne strukture koja štiti zraku od polja tijekom ovog poluciklusa. Ovu je metodu prvi upotrijebio E. Lawrence u ciklotronu (vidi dolje); također se koristi u Alvarezovom linearnom akceleratoru. Potonji je dugačka vakuumska cijev koja sadrži niz metalnih drift cijevi. Svaka je cijev spojena u seriju s visokofrekventnim generatorom dugim vodom, duž kojeg teče ubrzavajući naponski val brzinom bliskom brzini svjetlosti (slika 2). Dakle, sve cijevi redom su pod visokim naponom. Nabijena čestica emitirana iz injektora u pravom trenutku ubrzava se u smjeru prve cijevi, dobivajući određenu energiju. Unutar ove cijevi čestica se kreće – kreće se konstantnom brzinom. Ako je duljina cijevi pravilno odabrana, tada će iz nje izaći u trenutku kada ubrzavajući napon napreduje za jednu valnu duljinu. U tom će slučaju napon na drugoj cijevi također biti ubrzavajući i iznosi stotine tisuća volti. Ovaj proces se ponavlja mnogo puta, au svakoj fazi čestica dobiva dodatnu energiju. Da bi gibanje čestica bilo sinkrono s promjenom polja, duljina cijevi mora se povećavati u skladu s povećanjem njihove brzine. Na kraju će brzina čestice doseći brzinu vrlo blisku brzini svjetlosti, a granična duljina cijevi bit će konstantna.

Prostorne promjene u polju nameću ograničenja vremenskoj strukturi snopa. Polje ubrzanja mijenja se unutar skupine čestica bilo koje konačne duljine. Posljedično, duljina hrpe čestica trebala bi biti mala u usporedbi s valnom duljinom ubrzavajućeg visokofrekventnog polja. Inače će se čestice različito ubrzavati unutar hrpe. Preveliko širenje energije u snopu ne samo da otežava fokusiranje snopa zbog prisutnosti kromatske aberacije u magnetskim lećama, već također ograničava mogućnosti korištenja snopa u određenim problemima. Širenje energije također može dovesti do razmazivanja hrpe čestica snopa u aksijalnom smjeru. Razmotrimo skupinu nerelativističkih iona koji se kreću početnom brzinom v0. Uzdužne električne sile zbog prostornog naboja ubrzavaju glavni dio snopa i usporavaju repni dio. Odgovarajućom sinkronizacijom gibanja snopa s visokofrekventnim poljem moguće je postići veće ubrzanje repnog dijela snopa od glave. Takvim usklađivanjem faza akcelerirajućeg napona i snopa moguće je izvršiti faziranje snopa - kompenzirati defazni učinak prostornog naboja i širenja energije. Kao rezultat toga, u određenom rasponu vrijednosti središnje faze hrpe, promatraju se centriranje i oscilacije čestica u odnosu na određenu fazu stabilnog gibanja. Ovaj fenomen, nazvan autofaziranje, iznimno je važan za linearne ionske akceleratore i moderne cikličke akceleratore elektrona i iona. Nažalost, autofaziranje se postiže po cijenu smanjenja radnog ciklusa akceleratora na vrijednosti mnogo manje od jedinice. U procesu ubrzavanja gotovo sve zrake pokazuju tendenciju povećanja radijusa iz dva razloga: zbog međusobnog elektrostatskog odbijanja čestica i zbog širenja poprečnih (toplinskih) brzina. Prvi trend slabi s povećanjem brzine snopa, budući da magnetsko polje stvoreno strujom snopa komprimira snop i, u slučaju relativističkih snopa, gotovo kompenzira učinak defokusiranja prostornog naboja u radijalnom smjeru. Stoga je ovaj učinak vrlo važan u slučaju ionskih akceleratora, ali gotovo beznačajan za akceleratore elektrona, kod kojih se snop ubrizgava relativističkim brzinama. Drugi učinak, vezan uz emisiju snopa, važan je za sve akceleratore. Moguće je zadržati čestice u blizini osi pomoću kvadrupolnih magneta. Istina, jedan kvadrupolni magnet, fokusirajući čestice u jednoj od ravnina, defokusira ih u drugoj. Ali ovdje pomaže princip "jakog fokusiranja" koji su otkrili E. Courant, S. Livingston i H. Snyder: sustav dva kvadrupolna magneta odvojena rasponom, s izmjeničnim ravninama fokusiranja i defokusiranja, u konačnici osigurava fokusiranje u svim ravninama. Drift cijevi se još uvijek koriste u protonskim linacima, gdje se energija snopa povećava od nekoliko megaelektronvolta do oko 100 MeV. Prvi linearni akceleratori elektrona, poput akceleratora od 1 GeV izgrađenog na Sveučilištu Stanford (SAD), također su koristili driftne cijevi konstantne duljine, budući da je snop ubrizgavan pri energiji reda veličine 1 MeV. Suvremeniji linearni akceleratori elektrona, od kojih je najveći 3,2 km 50 GeV akcelerator izgrađen u Stanford Linear Accelerator Center, koriste princip "elektronskog surfanja" na elektromagnetskom valu, koji omogućuje ubrzavanje snopa s energetskim prirastom od gotovo 20 MeV po metru ubrzavajućeg sustava. U ovom akceleratoru visokofrekventnu snagu na frekvenciji od oko 3 GHz generiraju veliki elektrovakuumski uređaji - klistroni. Najveća energetska protonska linija izgrađena je u Nacionalnom laboratoriju Losalamos u New Yorku. New Mexico (SAD) kao "tvornica mezona" za proizvodnju intenzivnih snopova piona i miona. Njegove bakrene šupljine stvaraju ubrzavajuće polje reda veličine 2 MeV/m, zbog čega proizvodi do 1 mA protona s energijom od 800 MeV u pulsirajućem snopu. Za ubrzavanje ne samo protona, već i teških iona, razvijeni su supravodljivi visokofrekventni sustavi. Najveći supravodljivi protonski linac služi kao injektor HERA akceleratora sudarajuće zrake u laboratoriju German Electron Synchrotron (DESY) u Hamburgu, Njemačka.
CIKLIČKI AKCELERATORI
Protonski ciklotron. Postoji vrlo elegantan i ekonomičan način za ubrzavanje zrake opetovanim prijenosom malih dijelova energije. Da biste to učinili, s jakim magnetsko polje zraka je prisiljena kretati se po kružnoj orbiti i proći kroz isti ubrzavajući procjep mnogo puta. Ovu su metodu prvi put primijenili 1930. godine E. Lawrence i S. Livingston u ciklotronu koji su izumili. Kao u linearnom akceleratoru s driftnim cijevima, zraka je zaštićena od djelovanja električnog polja tijekom poluciklusa kada djeluje kao usporavač. Nabijena čestica mase m i naboja q koja se giba brzinom v u magnetskom polju H usmjerenom okomito na njezinu brzinu opisuje kružnicu u tom polju polumjera R = mv/qH. Budući da ubrzanje dovodi do povećanja brzine v, povećava se i polumjer R. Dakle, protoni i teški ioni kreću se u spirali koja se odmotava sve većeg radijusa. Sa svakim okretajem duž orbite, zraka prolazi kroz raspor između dees - visokonaponskih šupljih elektroda u obliku slova D, gdje na nju djeluje visokofrekventno električno polje (slika 3). Lawrence je shvatio da vrijeme između prolaza zrake kroz raspor u slučaju nerelativističkih čestica ostaje konstantno, jer se povećanje njihove brzine kompenzira povećanjem polumjera. Tijekom onog dijela revolucije, kada visokofrekventno polje ima pogrešnu fazu, zraka je izvan raspora. Učestalost kruženja dana je izrazom

gdje je f frekvencija izmjeničnog napona u MHz, H je jakost magnetskog polja u T, a mc2 je masa čestice u MeV. Ako je vrijednost H konstantna u području gdje dolazi do ubrzanja, tada frekvencija f, očito, ne ovisi o polumjeru
(vidi također LAWRENCE Ernest Orlando).

Da bi se ioni ubrzali do visokih energija, potrebno je samo da magnetsko polje i frekvencija visokonaponskog napona ispunjavaju uvjet rezonancije; tada će čestice proći kroz razmak između dva puta po okretaju u pravo vrijeme. Za ubrzanje snopa do energije od 50 MeV pri akcelerirajućem naponu od 10 keV potrebno je 2500 okretaja. Radna frekvencija protonskog ciklotrona može biti 20 MHz, tako da je vrijeme ubrzanja reda veličine 1 ms. Kao iu linearnim akceleratorima, čestice tijekom ubrzavanja u ciklotronu moraju biti fokusirane u transverzalnom smjeru, inače će sve, osim onih ubrizganih brzinama paralelnim s polnim dijelovima magneta, ispasti iz ciklusa ubrzanja. U ciklotronu je mogućnost ubrzavanja čestica s konačnim kutnim širenjem osigurana davanjem posebne konfiguracije magnetskom polju, u kojoj sile koje djeluju na čestice koje napuštaju ravninu orbite vraćaju u tu ravninu. Nažalost, prema zahtjevima za stabilnost gomile ubrzanih čestica, fokusna komponenta magnetskog polja mora se smanjivati ​​s povećanjem radijusa. A to je u suprotnosti s uvjetom rezonancije i dovodi do učinaka koji ograničavaju intenzitet snopa. Drugi značajan čimbenik koji smanjuje mogućnosti jednostavnog ciklotrona je relativistički porast mase, kao nužna posljedica povećanja energije čestica:

U slučaju ubrzanja protona, sinkronizam će biti prekinut zbog relativističkog prirasta mase na oko 10 MeV. Jedan od načina da se održi sinkronizam je modulirati frekvenciju ubrzavajućeg napona tako da se smanjuje kako se radijus orbite povećava i brzina čestica. Frekvencija se mora promijeniti sukladno zakonu

Takav sinkrociklotron može ubrzati protone do energije od nekoliko stotina megaelektrovolti. Na primjer, ako je jakost magnetskog polja 2 T, tada bi se frekvencija trebala smanjiti s oko 32 MHz u trenutku ubrizgavanja na 19 MHz ili manje kada čestice dostignu energiju od 400 MeV. Takva promjena frekvencije napona ubrzanja trebala bi se dogoditi unutar nekoliko milisekundi. Nakon što čestice dostignu najveću energiju i uklone se iz akceleratora, frekvencija se vraća na svoju početnu vrijednost i nova hrpa čestica se uvodi u akcelerator. Ali čak i uz optimalni dizajn magneta i najbolji nastup sustava za opskrbu visokofrekventnom energijom, mogućnosti ciklotrona ograničene su praktičnim razlozima: potrebni su iznimno veliki magneti da bi se ubrzane čestice visoke energije zadržale u orbiti. Tako je masa magneta ciklotrona od 600 MeV, izgrađenog u laboratoriju TRIUMPH u Kanadi, veća od 2000 tona, a troši električnu energiju reda veličine nekoliko megavata. Cijena izgradnje sinkrociklotrona približno je proporcionalna kubu polumjera magneta. Stoga su za postizanje viših energija uz praktički prihvatljive troškove potrebna nova načela ubrzanja.
Protonski sinkrotron. Visoka cijena cikličkih akceleratora povezana je s velikim radijusom magneta. Ali moguće je držati čestice u orbiti konstantnog radijusa povećanjem jakosti magnetskog polja kako njihova energija raste. Linearni akcelerator ubrizgava u ovu orbitu snop čestica relativno niske energije. Budući da je ograničavajuće polje potrebno samo u uskom području blizu orbite snopa, nema potrebe za magnetima koji pokrivaju cijelo područje orbite. Magneti su smješteni samo duž prstenaste vakuumske komore, što rezultira velikim uštedama. Ovaj pristup je implementiran u protonskom sinkrotronu. Prvi akcelerator ove vrste bio je Cosmotron od 3 GeV (slika 4), koji je počeo s radom u Brookhaven National Laboratory 1952. u SAD-u; ubrzo je uslijedio Bevatron od 6 GeV, izgrađen u Laboratoriju. Lawrence University of California u Berkeleyju (SAD). Izgrađen posebno za otkrivanje antiprotona, radi već 39 godina, pokazujući izdržljivost i pouzdanost akceleratora čestica.

Kod sinkrotrona prve generacije, izgrađenih u SAD-u, Velikoj Britaniji, Francuskoj i SSSR-u, fokusiranje je bilo slabo. Stoga je amplituda radijalnih oscilacija čestica u procesu njihova ubrzanja bila velika. Širina vakuumskih komora bila je oko 30 cm, au tom još uvijek velikom volumenu bilo je potrebno pažljivo kontrolirati konfiguraciju magnetskog polja. Godine 1952. došlo je do otkrića koje je omogućilo drastično smanjenje oscilacija snopa i, posljedično, dimenzija vakuumske komore. To je bio princip jakog ili tvrdog fokusa. U modernim protonskim sinkrotronima sa supravodljivim kvadrupolnim magnetima raspoređenim u rasporedu snažnog fokusiranja, vakuumska komora može biti manja od 10 cm u promjeru, što dovodi do značajnog smanjenja veličine, cijene i potrošnje energije fokusirajućih i otklonskih magneta. Prvi sinkrotron temeljen na ovom principu bio je sinkrotron s promjenjivim gradijentom od 30 GeV u Brookhavenu. Sličan objekt izgrađen je u laboratoriju Europske organizacije za nuklearna istraživanja (CERN) u Ženevi. Sredinom 1990-ih oba su akceleratora još radila. Otvor sinkrotrona s promjenjivim gradijentom bio je približno 25 puta manji od otvora blende Cosmotrona. Snaga koju troši magnet pri energiji od 30 GeV približno odgovara snazi ​​koju troši Cosmotron magnet pri 3 GeV. "Variable Gradient Synchrotron" ubrzao je 6×1013 protona po impulsu, što je odgovaralo najvećem intenzitetu među objektima ove klase. Fokusiranje u ovom akceleratoru vršili su isti magneti koji su skrenuli zraku; to je postignuto davanjem polova magneta oblika prikazanog na sl. 5. Moderni akceleratori obično koriste zasebne magnete za skretanje i fokusiranje snopa.

LABORATORIJ IM. E. FERMI kraj Batavije (SAD). Opseg "Glavnog prstena" akceleratora je 6,3 km. Prsten se nalazi na dubini od 9 m ispod kruga u središtu slike.

Sredinom 1990-ih najveći protonski sinkrotron bio je Tevatron Nacionalnog akceleratorskog laboratorija. E. Fermija u Bataviji (SAD). Kao što ime sugerira, Tevatron ubrzava snopove protona u prstenu promjera 2 km do energije od oko 1 TeV. Protone ubrzava cijeli sustav akceleratora, počevši od Cockcroft-Walton generatora kao injektora, iz kojeg se negativni ioni vodika s energijom od 750 keV uvode u linearni akcelerator s energijom od 400 MeV. Zatim se linijski snop propušta kroz ugljični film kako bi se skinuli elektroni i ubrizgava u srednji sinkrotron - pojačivač - promjera 150 m. U pojačivaču protoni čine oko 20 000 okretaja i dobivaju energiju od 8 GeV. Tipično, pojačivač izvodi 12 brzih uzastopnih radnih ciklusa, kao rezultat kojih se 12 protonskih skupina ubrizgava u "Glavni prsten" - još jedan protonski sinkrotron s duljinom prstena od 6,3 km. "Glavni prsten", u kojem se protoni ubrzavaju do energije od 150 GeV, sastoji se od 1000 konvencionalnih magneta s bakrenim namotajima koji skreću i fokusiraju protone. Neposredno ispod "Glavnog prstena" nalazi se završni sinkrotron "Tevatron" koji se sastoji od 1000 supravodljivih magneta. Zraka se može izvući kroz mnoge kanale na udaljenost od 1,5-3 km za istraživanje u vanjskim eksperimentalnim dvoranama. Potrebni su jači magneti za skretanje i fokusiranje kako bi zrake veće energije bile u orbiti. Dizajnirani za subnuklearnu "mikroskopiju", protonski sinkrotroni s energijama iznad 1 TeV zahtijevaju tisuće supravodljivih i fokusirajućih magneta dužine 5-15 m s otvorom širokim nekoliko centimetara, koji osiguravaju iznimno visoku točnost polja i stabilnost tijekom vremena. Glavni čimbenici koji ometaju stvaranje protonskih sinkrotrona za više energije su visoki troškovi i složenost upravljanja povezani s njihovom ogromnom veličinom.
AKCELERATORI S PROTUZRAKOM
Ciklički sudarači. Daleko od toga da se sva energija ubrzane čestice koristi za izvođenje željene reakcije. Značajan dio toga se beskorisno gubi u obliku trzaja koji doživi ciljna čestica zbog zakona očuvanja količine gibanja. Ako upadna čestica ima energiju E, a masa ciljne čestice u mirovanju je M, tada je korisna energija

Tako je u eksperimentima s metom u mirovanju na Tevatronu korisna energija samo 43 GeV. Želja za korištenjem najvećih mogućih energija u istraživanju čestica dovela je do stvaranja u CERN-u i Laboratorija. E. Fermi proton-antiprotonski sudarači, kao i veliki broj instalacija u različite zemlje s sudarajućim snopovima elektrona i pozitrona. U prvom sudaraču protona dogodili su se sudari protona i antiprotona s energijama od 26 GeV u prstenu opsega 1,6 km (slika 6). Nekoliko dana bilo je moguće akumulirati zrake s strujom do 50 A.

Trenutno je sudarač s najvećom energijom Tevatron, na kojem se provode eksperimenti kada se snop protona s energijom od 1 TeV sudari sa snopom antiprotona iste energije. Za takve pokuse potrebni su antiprotoni, koji se mogu dobiti bombardiranjem metalne mete snopom protona visoke energije iz "Glavnog prstena". Antiprotoni proizvedeni u tim sudarima nakupljaju se u zasebnom prstenu pri energiji od 8 GeV. Kada se nakupi dovoljno antiprotona, oni se ubrizgavaju u "Glavni prsten", ubrzavaju na 150 GeV, a potom ubacuju u "Tevatron". Ovdje se protoni i antiprotoni istovremeno ubrzavaju do pune energije i zatim se sudaraju. Ukupna količina gibanja čestica koje se sudaraju jednaka je nuli, pa je sva energija 2E korisna. U slučaju Tevatrona doseže gotovo 2 TeV. Najveća energija među elektron-pozitronskim sudaračima postignuta je u "Velikom elektron-pozitronskom skladišnom prstenu" u CERN-u, gdje je energija sudarajućih snopova u prvom stupnju bila 50 GeV po snopu, a zatim je povećana na 100 GeV po snopu. DESI je napravio sudarač HERA, u kojem se elektroni sudaraju s protonima. Ovaj veliki energetski dobitak postiže se po cijenu značajnog smanjenja vjerojatnosti sudara između čestica sudarajućih snopova niske gustoće. Učestalost sudara određena je luminoznošću, tj. broj sudara u sekundi, popraćen reakcijom ovog tipa, koji ima određeni presjek. Svjetlina linearno ovisi o energiji i struji snopa i obrnuto je proporcionalna njegovom polumjeru. Energija snopa sudarača odabrana je u skladu s energetskom ljestvicom proučavanih fizikalnih procesa. Da bi se osigurala najveća svjetlina, potrebno je postići najveću moguću gustoću snopa na mjestu njihova susreta. Stoga je glavni tehnički problem u dizajnu kolajdera fokusirati zrake na mjestu njihovog susreta u vrlo malu točku i povećati struju zrake. Da bi se postigla željena svjetlina, mogu biti potrebne struje veće od 1 A. Još jedan izuzetno težak tehnički problem povezan je s potrebom da se u komori kolajdera osigura ultravisoki vakuum. Budući da se sudari između čestica snopa događaju relativno rijetko, sudari s molekulama zaostalog plina mogu značajno prigušiti snopove, smanjujući vjerojatnost interakcija koje se proučavaju. Osim toga, raspršenje zraka od zaostalog plina stvara nepoželjnu pozadinu u detektoru, koja može prikriti fizički proces koji se proučava. Vakuum u komori sudarača trebao bi biti unutar 10-9 - 10-7 Pa (10-11 - 10-9 mmHg) ovisno o luminoznosti. Pri nižim energijama mogu se ubrzati intenzivniji snopovi elektrona, što omogućuje proučavanje rijetkih raspada B i K mezona uslijed elektroslabih interakcija. Brojna takva postrojenja, koja se ponekad nazivaju "tvornicama okusa", trenutno su u izgradnji u SAD-u, Japanu i Italiji. Takve instalacije imaju dva skladišna prstena - za elektrone i za pozitrone, koji se sijeku u jednoj ili dvije točke - područja interakcije. Svaki prsten sadrži mnoge hrpe čestica s ukupnom strujom većom od 1 A. Energije snopa su odabrane tako da korisna energija odgovara rezonanciji koja se raspada u proučavane kratkotrajne čestice - B- ili K-mezone. Dizajn ovih instalacija temelji se na elektronskom sinkrotronu i skladišnim prstenovima.
Linearni sudarači. Energije cikličkih sudarača elektron-pozitron ograničene su intenzivnim sinkrotronskim zračenjem koje emitiraju snopovi ubrzanih čestica (vidi dolje). Ovaj nedostatak nije prisutan kod linearnih sudarača, kod kojih sinkrotronsko zračenje ne utječe na proces ubrzanja. Linearni sudarač se sastoji od dva linearna akceleratora za visoke energije, čiji su snopovi visokog intenziteta - elektrona i pozitrona - usmjereni jedan prema drugom. Zrake se susreću i sudaraju samo jednom, nakon čega se ispuštaju u apsorbere. Prvi linearni sudarač je "Stanford Linear Collider", koji koristi Stanford Linear Accelerator, koji je dug 3,2 km i radi na energiji od 50 GeV. U sustavu ovog sudarača gomile elektrona i pozitrona se ubrzavaju u istom linearnom akceleratoru i razdvajaju kada zrake dostignu punu energiju. Zatim se snopovi elektrona i pozitrona transportiraju duž odvojenih lukova, čiji oblik podsjeća na cijevi medicinskog stetoskopa, i fokusiraju se na promjer od oko 2 mikrona u području interakcije.
Nove tehnologije. Potraga za ekonomičnijim metodama ubrzanja dovela je do stvaranja novih akceleratorskih sustava i visokofrekventnih generatora velike snage koji rade u frekvencijskom području od 10 do 35 GHz. Osvijetljenost elektron-pozitronskih sudarača mora biti iznimno velika, budući da presjek procesa opada kao kvadrat energije čestice. U skladu s tim, gustoće snopa također moraju biti izuzetno visoke. U linearnom sudaraču s energijom reda 1 TeV, veličina snopa može doseći 10 nm, što je mnogo manje veličine snop na Stanford Linear Collider (2 μm). S tako malim veličinama snopa, potrebni su vrlo snažni stabilni magneti sa složenim elektroničkim automatskim upravljačima za točno usklađivanje elemenata za fokusiranje. Kada zrake elektrona i pozitrona prolaze jedna kroz drugu, njihova električna interakcija se neutralizira, a magnetska se pojačava. Kao rezultat, magnetska polja mogu doseći 10 000 T. Takva gigantska polja mogu jako deformirati zrake i dovesti do velikog energetskog širenja zbog stvaranja sinkrotronskog zračenja. Ovi učinci, zajedno s ekonomskim razlozima povezanim s izgradnjom sve proširenijih strojeva, ograničit će energiju koja se može postići u sudaračima elektron-pozitron.
ELEKTRONIČKO SPREMANJE
Elektronički sinkrotroni temelje se na istim principima kao i protonski sinkrotroni. Međutim, zbog jedne važne značajke tehnički su jednostavniji. Mala masa elektrona omogućuje ubrizgavanje snopa pri brzinama bliskim brzini svjetlosti. Stoga daljnji porast energije nije povezan s primjetnim porastom brzine, a sinkrotroni elektrona mogu raditi na fiksnoj frekvenciji ubrzavajućeg napona ako se snopu ubrizgava energija od oko 10 MeV. Međutim, ova prednost je negirana drugom posljedicom male mase elektrona. Budući da se elektron kreće po kružnoj orbiti, on se giba ubrzano (centripetalno), pa zbog toga emitira fotone – zračenje, koje se naziva sinkrotronsko. Snaga sinkrotronskog zračenja P proporcionalna je četvrtoj potenciji energije snopa E i struje I, a također je obrnuto proporcionalna polumjeru prstena R, tako da je proporcionalna (E/m)4IR -1. Ova energija, izgubljena tijekom svakog okretaja elektronskog snopa duž orbite, mora se kompenzirati visokofrekventnim naponom koji se primjenjuje na ubrzavajuće praznine. U "tvornicama aroma" dizajniranim za visok intenzitet, takvi gubici snage mogu doseći desetke megavata. Ciklički akceleratori poput sinkrotrona elektrona također se mogu koristiti kao akumulatori velikih cirkulirajućih struja s konstantno visokom energijom. Takvi skladišni prstenovi imaju dvije glavne primjene: 1) u studijama jezgri i elementarnih čestica metodom sudarajuće zrake, kao što je gore spomenuto, i 2) kao izvori sinkrotronskog zračenja koji se koriste u atomskoj fizici, znanosti o materijalima, kemiji, biologiji i medicini. Prosječna energija fotona sinkrotronskog zračenja proporcionalna je (E/m)3R-1. Dakle, elektroni s energijom reda veličine 1 GeV koji kruže u skladišnom prstenu emitiraju intenzivno sinkrotronsko zračenje u ultraljubičastom i rendgenskom području. Većina fotona emitira se unutar uskog okomitog kuta reda veličine m/E. Budući da se radijus elektronskih zraka u modernim skladišnim prstenovima s energijom reda 1 GeV mjeri u desecima mikrometara, zrake X-zraka koje emitiraju karakterizira visoka svjetlina i stoga mogu poslužiti kao moćan alat za proučavanje struktura materije. Zračenje se emitira tangencijalno na zakrivljenu putanju elektrona. Stoga svaki otklonski magnet prstena za pohranjivanje elektrona, kada hrpa elektrona prođe kroz njega, stvara "zraku reflektora" zračenja koja se razvija. Izlazi kroz dugačke vakuumske kanale tangente na glavnu vakuumsku komoru prstena za pohranu. Prorezi i kolimatori koji se nalaze duž ovih kanala tvore uske zrake, od kojih se monokromatorima dalje odvaja potreban raspon energije X-zraka. Prvi izvori sinkrotronskog zračenja bili su objekti izvorno izgrađeni za rješavanje problema u fizici visokih energija. Primjer je Stanfordov pozitron-elektronski akumulator od 3 GeV u Stanfordskom laboratoriju za sinkrotronsko zračenje. Svojedobno su na ovom postrojenju otkriveni "začarani" mezoni. Prvi izvori sinkrotronskog zračenja nisu imali fleksibilnost da zadovolje različite potrebe stotina korisnika. Brz rast Potreba za sinkrotronskim zračenjem s velikim fluksom i visokim intenzitetom snopa dovela je do izvora druge generacije dizajniranih da zadovolje potrebe svih mogućih korisnika. Konkretno, odabrani su sustavi magneta koji smanjuju emisiju elektronskog snopa. Mala emisija znači manju veličinu snopa i stoga veću svjetlinu izvora zračenja. Tipični predstavnici ove generacije bili su skladišni prstenovi u Brookhavenu, koji su služili kao izvori X-zraka i zračenja u vakuumskom ultraljubičastom području spektra. Svjetlina zračenja također se može povećati tako da se zraka kreće duž sinusoidalne putanje u periodičnoj magnetskoj strukturi i zatim kombinira zračenje koje se javlja na svakom zavoju. Undulatori - magnetske strukture koje omogućuju takvo kretanje, niz su magnetskih dipola koji skreću snop pod malim kutom, smještenih u ravnoj liniji na osi snopa. Svjetlina zračenja iz takvog ondulatora može biti stotinama puta veća od svjetline zračenja koja se javlja kod otklonskih magneta. Sredinom 1980-ih počeli su se stvarati izvori sinkrotronskog zračenja treće generacije s velikim brojem takvih ondulatora. Među prvim izvorima treće generacije su poboljšani izvor svjetlosti od 1,5 GeV na Berkeleyu, koji generira meke X-zrake, kao i poboljšani izvor fotona od 6 GeV u Nacionalnom laboratoriju Argonne (SAD) i sinkrotron od 6 GeV. Europski centar za sinkrotronsko zračenje u Grenobleu (Francuska), koji se koriste kao tvrdi izvori X-zraka. Nakon uspješne izgradnje ovih instalacija, niz izvora sinkrotronskog zračenja stvoren je iu drugim mjestima. Novi korak prema većoj svjetlini u rasponu od infracrvenih do tvrdih X-zraka povezan je s uporabom "toplih" magnetskih dipola s jakošću magnetskog polja od oko 1,5 T i mnogo kraćih supravodljivih magnetskih dipola s poljem od nekoliko Tesla u sustav otklonskih magneta. Takav se pristup provodi u novom izvoru sinkrotronskog zračenja stvorenom na Institutu P. Scherrer u Švicarskoj iu modernizaciji izvora Berkeley. Korištenje sinkrotronskog zračenja u znanstvenim istraživanjima postalo je rašireno i nastavlja se širiti. Iznimna svjetlina takvih rendgenskih zraka omogućuje stvaranje nove generacije rendgenskih mikroskopa za proučavanje bioloških sustava u njihovom normalnom vodenom okruženju. Otvara mogućnost brze analize strukture virusa i proteina za razvoj novih lijekova s ​​uskim fokusom na uzročnike bolesti i minimalnim nuspojavama. Svijetle zrake X-zraka mogu poslužiti kao moćne mikrosonde za otkrivanje čak i najmanjih količina nečistoća i kontaminanata. Omogućuju vrlo brzu analizu uzoraka iz okoliša kada se istražuju putovi onečišćenja. okoliš. Također se mogu koristiti za procjenu čistoće velikih silicijskih pločica prije skupe izrade vrlo složenih integriranih sklopova i otvaraju nove vidike za tehniku ​​litografije, dopuštajući u načelu izradu integriranih sklopova s ​​elementima manjim od 100 nm.
AKCELERATORI U MEDICINI
Akceleratori imaju važnu praktičnu ulogu u medicinskoj terapiji i dijagnostici. Mnoge bolnice diljem svijeta danas imaju na raspolaganju male linearne akceleratore elektrona koji generiraju intenzivno rendgensko zračenje koje se koristi za terapiju tumora. U manjoj mjeri koriste se ciklotroni ili sinkrotroni koji generiraju protonske zrake. Prednost protona u terapiji tumora nad x-zrake sastoji se u više lokaliziranom oslobađanju energije. Stoga je protonska terapija posebno učinkovita u liječenju tumora mozga i oka, kada oštećenje okolnih zdravih tkiva treba biti što je moguće manje. vidi također